Jet Hipersonik yang Didukung NASA Siap Mengubah Perjalanan Luar Angkasa
Oleh
Ini adalah gambaran artistik dari wahana penelitian Hyper-X dengan tenaga scramjet dalam penerbangan bebas setelah terpisah dari roket pendorongnya. Penelitian baru tentang jet hipersonik dapat mengubah perjalanan luar angkasa dengan membuat mesin scramjet lebih andal dan efisien, yang mengarah pada wahana antariksa seperti pesawat terbang. Kredit: NASA
Studi Terowongan Angin Mengungkapkan Aliran Mesin Jet Hipersonik Dapat Dikontrol Secara Optik
Para peneliti di Universitas Virginia tengah menjajaki potensi jet hipersonik untuk perjalanan luar angkasa, dengan menggunakan inovasi dalam kontrol mesin dan teknik penginderaan. Pekerjaan ini, yang didukung oleh NASAbertujuan untuk meningkatkan kinerja scramjet melalui sistem kontrol adaptif dan sensor optik, yang berpotensi menghasilkan kendaraan akses ruang angkasa yang lebih aman dan efisien yang berfungsi seperti pesawat terbang.
Masa Depan Perjalanan Luar Angkasa: Jet Hipersonik
Bagaimana jika masa depan perjalanan ruang angkasa tidak lagi terlihat seperti Starship berbasis roket Space-X dan lebih mirip “Hyper-X” milik NASA, pesawat jet hipersonik yang, 20 tahun lalu, terbang lebih cepat daripada pesawat lain sebelum atau sesudahnya. ?
Pada tahun 2004, uji coba prototipe tak berawak X-43A terakhir yang dilakukan NASA merupakan tonggak sejarah dalam era terbaru pengembangan jet – lompatan dari ramjet ke scramjet yang lebih cepat dan efisien. Tes terakhir, pada bulan November tahun itu, mencatat kecepatan rekor dunia yang sebelumnya hanya bisa dicapai oleh roket: Mach 10. Kecepatannya setara dengan 10 kali kecepatan suara.
NASA mengumpulkan banyak data berguna dari pengujian tersebut, seperti yang dilakukan Angkatan Udara enam tahun kemudian dalam pengujian serupa pada X-51 Waverider, sebelum prototipe tersebut meluncur ke laut.
Meskipun pembuktian konsep hipersonik berhasil, teknologinya masih jauh dari kata operasional. Tantangannya adalah mencapai kendali mesin, karena teknologinya didasarkan pada pendekatan sensor yang sudah ada sejak puluhan tahun lalu.
Pesawat peluncur B-52B milik NASA meluncur ke lokasi uji coba di atas Samudra Pasifik sambil membawa wahana X-43A ketiga dan terakhir, yang terpasang pada roket Pegasus, pada tanggal 16 November 2004. Kredit: NASA / Carla Thomas
Terobosan dalam Kontrol Mesin Hipersonik
Namun bulan ini membawa harapan bagi calon penerus seri X-plane.
Sebagai bagian dari studi baru yang didanai NASA, para peneliti Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Virginia menerbitkan data dalam jurnal edisi Juni. Ilmu dan Teknologi Dirgantara yang menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa aliran udara dalam mesin jet pembakaran supersonik dapat dikontrol oleh sensor optik. Penemuan ini dapat menghasilkan stabilisasi pesawat jet hipersonik yang lebih efisien.
Selain itu, para peneliti berhasil mencapai kendali adaptif pada mesin scramjet, yang merupakan hal pertama lainnya untuk propulsi hipersonik. Sistem kendali mesin adaptif merespons perubahan dinamika untuk menjaga kinerja sistem secara keseluruhan tetap optimal.
“Salah satu prioritas kedirgantaraan nasional kami sejak tahun 1960an adalah membangun pesawat satu tahap ke orbit yang terbang ke luar angkasa dari lepas landas horizontal seperti pesawat tradisional dan mendarat di tanah seperti pesawat tradisional,” kata profesor Christopher Goyne, direktur dari Laboratorium Penelitian Dirgantara UVA, tempat penelitian berlangsung.
“Saat ini, kerajinan yang paling canggih adalah Luar AngkasaX Starship. Pesawat ini memiliki dua tahap, dengan peluncuran dan pendaratan vertikal. Namun, untuk mengoptimalkan keselamatan, kenyamanan, dan penggunaan ulang, komunitas kedirgantaraan ingin membangun sesuatu yang lebih mirip 737.”
Mahasiswa doktoral Max Chern mengamati lebih dekat pengaturan terowongan angin di mana peneliti Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Virginia menunjukkan bahwa kendali mesin scramjet mode ganda dapat dilakukan dengan sensor optik. Kredit: Wende Whitman, Teknik UVA
Goyne dan rekan peneliti, Chloe Dedic, seorang profesor madya Teknik UVA, meyakini sensor optik dapat menjadi bagian besar dari persamaan kontrol.
“Bagi kami, tampaknya logis jika sebuah pesawat terbang beroperasi pada kecepatan hipersonik Mach 5 dan lebih tinggi, mungkin lebih baik untuk menanamkan sensor yang bekerja lebih dekat dengan kecepatan cahaya daripada kecepatan suara,” kata Goyne.
Anggota tambahan dari tim ini adalah mahasiswa doktoral Max Chern, yang menjabat sebagai penulis pertama makalah tersebut, serta mantan mahasiswa pascasarjana Andrew Wanchek, mahasiswa doktoral Laurie Elkowitz dan ilmuwan senior UVA Robert Rockwell. Pekerjaan ini didukung oleh hibah ULI NASA yang dipimpin oleh Universitas Purdue.
Meningkatkan Kinerja Mesin Scramjet
NASA telah lama berupaya mencegah sesuatu yang dapat terjadi pada mesin scramjet yang disebut “unstart”. Istilah ini menunjukkan perubahan aliran udara secara tiba-tiba. Nama ini diambil dari fasilitas pengujian khusus yang disebut terowongan angin supersonik, di mana “start” berarti angin telah mencapai kondisi supersonik yang diinginkan.
UVA memiliki beberapa terowongan angin supersonik, termasuk Fasilitas Pembakaran Supersonik UVA, yang dapat mensimulasikan kondisi mesin untuk kendaraan hipersonik yang melaju dengan kecepatan lima kali kecepatan suara.
“Kami dapat menjalankan kondisi pengujian selama berjam-jam, memungkinkan kami bereksperimen dengan sensor aliran baru dan pendekatan kontrol pada geometri mesin yang realistis,” kata Dedic.
Goyne menjelaskan bahwa “scramjets”, kependekan dari ramjet pembakaran supersonik, dibangun berdasarkan teknologi ramjet yang telah umum digunakan selama bertahun-tahun.
Gambar dinamika fluida komputasi dari pengujian Hyper-X asli menunjukkan mesin beroperasi pada kecepatan Mach 7. Kredit: NASA
Ramjet pada dasarnya “mendorong” udara ke dalam mesin menggunakan gerakan maju pesawat untuk menghasilkan suhu dan tekanan yang diperlukan untuk membakar bahan bakar. Mereka beroperasi dalam kisaran sekitar Mach 3 hingga Mach 6. Saat saluran masuk di bagian depan pesawat menyempit, kecepatan udara internal melambat hingga kecepatan subsonik dalam mesin pembakaran ramjet. Namun, pesawat itu sendiri tidak melakukannya.
Scramjet sedikit berbeda. Meskipun mereka juga “menghirup udara” dan memiliki pengaturan dasar yang sama, mereka perlu mempertahankan aliran udara super cepat melalui mesin untuk mencapai kecepatan hipersonik.
“Jika sesuatu terjadi di dalam mesin hipersonik, dan kondisi subsonik tiba-tiba tercipta, maka mesin tersebut tidak dapat dihidupkan,” kata Goyne. “Daya dorong akan tiba-tiba berkurang, dan pada saat itu mungkin sulit untuk memulai kembali saluran masuk.”
Menguji Mesin Scramjet Mode Ganda
Saat ini, seperti halnya ramjet, mesin scramjet memerlukan peningkatan agar dapat mencapai kecepatan yang dapat menyerap cukup oksigen untuk beroperasi. Itu mungkin termasuk wahana yang dipasang di bagian bawah pesawat pengangkut serta dorongan roket.
Inovasi terbaru adalah pembakar scramjet mode ganda, yang merupakan jenis mesin yang diuji oleh proyek yang dipimpin UVA. Mesin ganda tersebut menyala dalam mode ramjet pada angka Mach yang lebih rendah, kemudian beralih untuk menerima aliran udara supersonik penuh di ruang pembakaran pada kecepatan yang melebihi Mach 5.
Mencegah terjadinya unstart saat mesin melakukan transisi sangatlah penting.
Christopher Goyne, profesor dan direktur Laboratorium Penelitian Dirgantara UVA, dan Chloe Dedic, profesor asosiasi. Kredit: Wende Whitman, Teknik UVA
Angin yang masuk berinteraksi dengan dinding saluran masuk dalam bentuk serangkaian gelombang kejut yang dikenal sebagai “kereta kejut”. Biasanya, bagian terdepan dari gelombang tersebut, yang dapat merusak integritas pesawat, telah dikendalikan oleh sensor tekanan. Alat berat dapat melakukan penyesuaian, misalnya dengan merelokasi posisi rangkaian kejut.
Namun, tempat ujung terdepan rangkaian kejut berada dapat berubah dengan cepat jika gangguan penerbangan mengubah dinamika udara. Rangkaian kejut dapat menekan saluran masuk, sehingga menciptakan kondisi untuk tidak dapat memulai.
Jadi, “Jika Anda melakukan penginderaan dengan kecepatan suara, namun proses mesin bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara, Anda tidak memiliki waktu respons yang lama,” kata Goyne.
Ia dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah kemungkinan tidak menyalanya mesin dapat diprediksi dengan mengamati sifat-sifat nyala api mesin.
Merasakan Spektrum Api
Tim memutuskan untuk menggunakan sensor spektroskopi emisi optik untuk umpan balik yang dibutuhkan untuk mengendalikan tepi terdepan rangkaian kejut.
Tidak lagi terbatas pada informasi yang diperoleh di dinding mesin, seperti halnya sensor tekanan, sensor optik dapat mengidentifikasi perubahan halus baik di dalam mesin maupun di dalam jalur aliran. Alat ini menganalisis jumlah cahaya yang dipancarkan oleh suatu sumber — dalam hal ini, gas yang bereaksi di dalam ruang bakar scramjet — serta faktor-faktor lain, seperti lokasi api dan konten spektral.
“Cahaya yang dipancarkan api di dalam mesin disebabkan oleh relaksasi molekul jenis yang tereksitasi pada saat proses pembakaran,” jelas Elkowitz, salah satu mahasiswa S3. “Spesies yang berbeda memancarkan cahaya dengan energi atau warna yang berbeda, memberikan informasi baru tentang kondisi mesin yang tidak ditangkap oleh sensor tekanan.”
Mahasiswa doktoral bidang mekanik dan kedirgantaraan Teknik UVA saat ini, Laurie Elkowitz dan Max Chern termasuk di antara anggota tim yang berpengaruh. Kredit: Wende Whitman, Teknik UVA
Demonstrasi terowongan angin yang dilakukan tim menunjukkan bahwa kontrol mesin dapat bersifat prediktif dan adaptif, dengan transisi yang mulus antara fungsi scramjet dan ramjet.
Faktanya, uji terowongan angin adalah bukti pertama di dunia bahwa kontrol adaptif pada jenis mesin fungsi ganda ini dapat dicapai dengan sensor optik.
“Kami sangat gembira dapat menunjukkan peran sensor optik dalam pengendalian kendaraan hipersonik di masa mendatang,” kata penulis pertama Chern. “Kami terus menguji konfigurasi sensor sembari berupaya membuat prototipe yang mengoptimalkan volume dan berat paket untuk lingkungan penerbangan.”
Membangun Menuju Masa Depan
Meskipun masih banyak pekerjaan yang harus diselesaikan, sensor optik mungkin menjadi komponen masa depan yang diyakini Goyne akan terwujud dalam masa hidupnya: perjalanan seperti pesawat ke luar angkasa dan kembali.
Scramjet mode ganda masih memerlukan semacam dorongan untuk membuat pesawat setidaknya mencapai Mach 4. Namun akan ada keamanan tambahan karena tidak hanya mengandalkan teknologi roket, yang membutuhkan bahan bakar yang sangat mudah terbakar untuk dibawa bersama bahan kimia dalam jumlah besar. oksidator untuk membakar bahan bakar.
Pengurangan berat itu akan memberikan lebih banyak ruang untuk penumpang dan muatan.
Pesawat serba guna tersebut, yang dapat meluncur kembali ke Bumi seperti yang pernah dilakukan pesawat ulang-alik, bahkan mungkin memberikan kombinasi ideal antara efisiensi biaya, keamanan, dan penggunaan kembali.
“Saya rasa itu mungkin,” kata Goyne. “Meskipun industri ruang angkasa komersial telah mampu menurunkan biaya melalui beberapa penggunaan ulang, mereka belum memanfaatkan operasi seperti pesawat terbang. Temuan kami berpotensi membangun sejarah Hyper-X yang terkenal dan membuat akses ruang angkasanya lebih aman daripada teknologi berbasis roket saat ini.”
Referensi: “Kontrol jalur aliran scramjet mode ganda menggunakan spektroskopi emisi optik” oleh Max Y. Chern, Andrew J. Wanchek, Laurie Elkowitz, Robert D. Rockwell, Chloe E. Dedic dan Christopher P. Goyne, 18 April 2024, Ilmu dan Teknologi Dirgantara.
DOI: 10.1016/j.ast.2024.109144
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
