Þróunardeild bandaríska varnarmálaráðuneytisins, DARPA, stendur að hönnun „scram-þotunnar“ Falcon sem mun ná að fljúga á Mach 6.

Nú á dögum getur Airbus A38 knúinn með þotuhreyflum lagt að baki þá 17.100 km frá London í Englandi til Sydney í Ástralíu með einni millilendingu á einungis 21 tíma og 35 mínútum. Fyrir 50 árum tók sama ferðalag tvo og hálfan dag og sjö millilendingar á Lockheat Super Constellation knúna hreyflum. En eftir nokkra áratugi verður flugið kannski beint og á einungis 2 tímum! Lykillinn að þessum undraverða ferðatíma er ný gerð af þotuhreyfli sem getur náð allt að 10 – 15.000 km/klst hraða – svokölluð „scramþota“ (e. scramjet). Árið 2009 mun fullbúin útgáfa af þessari þróuðu mótorgerð taka á loft í fyrsta sinn.

Fræðilega séð er scramþota afar einfaldur þotuhreyfill. Þotuhreyflar tilheyra svonefndum viðbragðsmótorum sem senda útblástursmassa aftur úr sér af miklu afli. Samkvæmt þriðja lögmáli Newtons (gagnstætt sérhverju átaki er ávallt jafnstórt gagntak), mun þetta þrýsta mótornum fram á við. Eldflaugahreyfill styðst við sama lögmál og getur náð ennþá meiri hraða – Saturn V-eldflaugin sem NASA notaði í Apollo-ferðirnar fyrir 40 árum gat flogið á meira en 40 þúsund km/klst – en þar sem þotuhreyflar nýta súrefni úr andrúmsloftinu við brunann þurfa eldflaugar sjálfar að taka allt eldsneyti með sér. Því má kannski segja að þotuhreyfill geti náð miklu fleiri hestöflum úr hverju kílói eldsneytis sem flutt er með í tönkum.

Fyrsta þotuknúna flugvélin var tilraunaflaugin Heinkel HE178, sem flaug í fyrsta sinn þann 27. ágúst 1939 og nú á dögum eru samskonar mótorar nýttir í tugþúsundir flugvéla og þyrlur um heim allan. Hvort heldur um er að ræða svokallaða túrbóviftu þar sem hluti af inntökuloftinu er leitt fyrir utan brunahólfið, eða hefðbundnari túrbóþotu, þá er ferlið í stórum dráttum hið sama: Loft er sogað inn í mótorinn, því þjappað saman og síðan blandað við eldsneytið. Kveikt er í blöndunni og aukinn hiti verður til að loftblandan þenst hratt út. Þrýstingurinn pressar gastegundunum afturúr þar sem þær knýja túrbínur sem í gegnum öxul leiðir aftur til baka til þjöppunar fremst í mótornum. Umfram orkumagn er sent aftur úr mótornum og knýr hann áfram.

Túrboþotu er hætt við að bráðna

Hefðbundin túrbóþota felur í sér verulega takmörkun. Þeir hlutir sem snúast í þjöppunni og túrbínunni verða ógnarheitir við mikinn hraða og sé bætt meira eldsneyti við brunahólfið gæti mótorinn einfaldlega bráðnað saman. Þess vegna er takmark á því hversu hratt má fljúga með túrbóþotu. Nú á dögum geta hraðfleygustu þoturnar náð allt að 2,5 földum hraða hljóðsins – sem er nokkuð nærri mörkum á getu túrbóþotunnar. En fram til 1998 réði bandaríski herinn yfir njósnafluginni Lockheed SR-71 Blackbird sem í miklum hæðum gat náð Mach 3,3. Flugvél þessi hefur verið tekin úr þjónustu, en reyndar virkaði mótor hennar ekki eins og hrein túrbóþota. Við u.þ.b. Mach 3 kom mikill hluti aflsins sem knúði vélina áfram frá lofti sem var leitt utan við þjöppuna þar sem við það var bætt eldsneyti og kveikt í því bak við brunahólfið. Svokölluð „ramþota“.

Í ramþotu eru nánast engir hreyfanlegir hlutir. Loftið er ekki sogað inn í gegnum þjöppu heldur þrýstist það inn einungis vegna hraða mótorsins í gegnum loftið. Því þarf að ná tilteknum hraða áður en mótorinn virkar. Við of lágan hraða fær hann ekki nægjanlegt loft og reyndar þarf að ná meira en tvöföldum hljóðhraða áður en mótorinn virkar að óskum. Loftaflfræðileg mótun ramþotunnar tekur mið af því að hraði loftsins inni í mótornum fari ekki yfir Mach 1 því ella væri of miklum vandkvæðum bundið að kveikja í eldsneytisblöndunni. Með því að bremsa loftið niður koma fram önnur vandamál við hraða sem er meiri en Mach 5. Á slíkum ógnarhraða verður loftmótstaðan svo mikil að mótorinn getur varla plægt sig í gegnum loftið og þess vegna er scramþota eina gerð þotuhreyfla sem virkar við svokallaðan hypersónískan hraða.

Scramþota er í raun bara tvær trekktir sem settar eru saman. Önnur trektin skóflar loftinu inn og þrýstir því saman. Í þunnu rörinu þar sem trektirnar mætast er bætt við eldsneyti og kveikt í því og aftari trektin samsvarar útblæstri mótorsins.

Einföld kenning er örðug í framkvæmd

Þetta hljómar ótrúlega einfalt en vandamálið felst í að smíða scramþotu sem virkar í raun og veru. En erfiðleikarnir við að framleiða Scramþotu sem virkar eru fjölmargir. Fyrst og fremst er hraði loftsins ekki bremsaður mikið niður. Þess vegna getur loftinntakan náð kannski 5 – 10 földum hraða hljóðsins og það veitir ekki mikið ráðrúm til að blanda eldsneyti við það og kveikja í því. Auk þess felur núningur við loftið í sér að hitastigið í mótornum verður svo hátt að jafnvel hörðustu málmar bráðna.

Þess vegna þarf mótorinn að vera með kælikerfi og til að spara þyngdina gæti kælivökvinn verið það eldsneyti sem hvort sem er á að dæla inn í mótorinn. Ekki er auðvelt að láta slíkt kælikerfi vera hvort tveggja skilvirkt og öruggt, en það er hin loftaflfræðilega mótun sem veldur verkfræðingum hvað mestum höfuðverk. Eitt er að geta yfir höfuð kveikt í eldsneytisblöndunni – en allt annað er að láta mótorinn virka við mismunandi hraða, hitastig og flughæðir. Þessir þættir verka á leið loftsins í gegnum mótorinn og fram til þessa hefur ekki tekist að hanna scramþotu sem getur aðlagast jafn fjölbreytilegum aðstæðum í lofti.

NASA hefur hins vegar reynsluflogið einfaldari scramþotu. Hið svokallaða X-43 áætlun náði hámarki árið 2004 þegar tókst að ná hraðanum Mach 9,6 með lítilli einnota scramþotu, sem var hraðað upp í háloft með loftskeyti. Þetta var mesti hraði sem hefur nokkru sinni náðst með þotuhreyfli og þrátt fyrir stórkostlegan árangur verkefnisins hefur það verið lagt á hilluna í bili vegna mikils kostnaðar.

En nú eru þróaðri scramþotur á döfinni. Þær eiga að virka við mismunandi hæðir og hraða. Bæði þróunardeild hersins, DARPA, og verkfræðingar hjá NASA eru nú önnum kafnir við að þróa nýja mótorinn. Í fyrstu fyrir ofurhröð loftskeyti og herþotur, en síðar gæti scramþotu-tæknin verið notuð við almennt farþegaflug. Kannski mun ferðinni frá London til Sydney þegar árið 2030 eða 2040 vera lokið á einu eftirmiðdegi.