Ny upptäckt kan ge supersnabba flygplan

Nya resultat av forskare vid Umeå universitet och Chalmers tekniska högskola ger möjligheter att öka hastigheten hos den nya generationens flygplan. Forskarna har upptäckt ett sätt att uppnå en supersnabb acceleration hos de flammor som bildas vid förbränningen.

Mänsklighetens historia är nära sammanlänkad med förbränning, ändå har vi fortfarande inte lyckats bemästra processen fullt ut. I en ny studie i tidskriften Physical Review Letters visar nu forskare vid Umeå universitet och Chalmers tekniska högskola att det går att skapa en otroligt snabb acceleration av de flammor som bildas vid förbränning genom att placera ut hinder längs den väg där flammorna breder ut sig. Resultaten kan användas för att utveckla en ny typ av motor för framtidens flygplan, en motor som möjliggör tidigare ouppnådda flyghastigheter. Detta är framför allt av intresse för militära ändamål, men kan i förlängningen även användas för att utveckla mer bränslesnåla passagerarflygplan. Samtidigt ger resultaten också förklaringar till naturfenomen såsom supernovor, men också för tekniska tillämpningar som produktion av diamanter och nanomaterial. Förbränningsformen föregår även många katastrofer som explosioner i rymdraketer, kärnkraftverk och minor.

I vanliga bilmotorer, gasturbiner till jetflygplan och kraftverk används flammor för att omvandla kemisk bränsleenergi till rörelse eller elektricitet. Flammor är en långsam typ av förbränning, de rör sig inte snabbare än cirka en meter per sekund.
- Det finns en önskan att istället använda detonation för att skapa drivkraft till den nya generationens flygplansmotorer. Detonation går betydligt snabbare och har en normal hastighet på över 3000 meter per sekund, vilket gör den väldigt effektiv, berättar Vitaly Bychkov, professor i fysik vid Umeå universitet.
Bränslet brinner snabbt i detonation och trycket blir högt, något som är en förutsättning för bättre drivkraft. I början av 2008 utförde ett testflygplan utrustat med en detonationsbaserad motor sin första flygning.

Fortfarande finns det dock en mängd komplicerade och fundamentala problem med sådana motorer. Det största problemet är att det krävs mycket energi för att antända explosionen. Ett sätt att komma undan detta är att starta explosionen på ett försiktigt sätt med en flamma för att sedan låta flamman övergå till en detonation. Denna metod kallas DDT (en förkortning av deflagration-to-detonation transition) och är en de mest invecklade processerna inom förbränningsvetenskap. I DDT antänder en gnista med låg energi till en flamma, vilken spontant accelererar i röret och utlöser en explosionsartad detonation. Genom att uppnå DDT så fort som möjligt går det att öka effektiviteten och minska vikten i motorer. En kraftfull acceleration av flammor går att uppnå genom att placera ut hinder där flamman fortplantar sig. Den generella uppfattningen har varit att huvuduppgiften för dessa hinder är att skapa kraftigare virvelströmmar.

Forskargruppen från Umeå universitet och Chalmers tekniska högskola visar nu att virvelströmmarna endast har en kompletterande roll. Genom att placera ut hinder längs den väg där flammorna breder ut sig har de kunnat skapa en kraftfull gasström som driver en supersnabb flamacceleration. De nya resultaten gör det möjligt att kontrollera DDT i motorer, något som är intressant för att förbättra vetenskapliga experiment, men också för framtida design av motorer.

Resultaten presenteras i oktobernumret av Physical Review Letters, 2008, volume 101, paper 164501.

För mer information kontakta:
Vitaly Bychkov, professor vid institutionen för fysik
Telefon: 90 786 7932
E-post: vitaliy.bychkov@physics.umu.se