Scramjets, van Parijs naar New York in 17 minuten

Een scramjet is een straalmotor die op zeer hoge snelheden (supersonisch) kan functioneren. Andere types straalmotoren worden minder effectief naarmate ze sneller gaan, maar een scramjet zou potentieel 20 maal zo snel als het geluid kunnen gaan. Dat is 21.000 km/u; op die snelheid duurt een vlucht van Parijs naar New York slechts 17 minuten. Maar hoe werkt deze motor? En kunnen we in de nabije toekomst in een vliegtuig stappen dat zo snel gaat?

Turbofans, ramjets en scramjets

Scramjet komt van Supersone Combustie Ramjet. De motor is een ontwikkeling die volgt op de ramjet, een motor die al langere tijd bestaat en gebruikt wordt door verschillende supersonische toestellen. Normale straalmotoren (turbofans) en ramjets werken door middel van de verbranding van kerosine, of een andere brandstof, met zuurstof uit de lucht, die dan met grote snelheid naar achteren wordt gestuwd, waardoor het vliegtuig naar voren gaat. Een limitatie daarvan, is dat voor normale verbranding de lucht niet sneller dan het geluid mag gaan. Als de lucht in de motor sneller dan het geluid gaat kan er geen verbranding meer plaatsvinden en produceert de motor geen stuwkracht meer.

Supersonische problemen

Als een toestel met een turbofan of een ramjet sneller dan het geluid vliegt, dan moet de lucht die de motor inkomt dus eerst afgeremd worden tot langzamer dan de geluidssnelheid (subsoon) alvorens de verbranding plaats kan vinden. Dit maakt turbofans en ramjets steeds minder effectief naarmate de snelheid toeneemt, tot ze bij een bepaalde snelheid niet meer functioneren. Voor hogere snelheden is een andere manier van ontbranding nodig en hierop berust de werking van een scramjet.

Supersone ontbranding

In een scramjet vindt supersonische verbranding plaats. Lucht komt de inlaat van de motor binnen op snelheden van meer dan Mach 4 (4 keer zo snel als het geluid). In de inlaatkamer wordt de lucht samengeperst en sterk verhit. Dan pas wordt er brandstof doorgemengd en wordt het lucht-brandstofmengsel ontstoken met een zeer krachtige elektrische vonk. De ontsteking is te vergelijken met het afstrijken van een lucifer midden in een orkaan: het moet razendsnel gebeuren. De lucht raast in ongeveer één milliseconde door de motor heen en binnen die tijd moet er voldoende brandstof doorgemengd zijn en moet het geheel ontbranden. Dit wordt verder gecompliceerd doordat verbranding een maximale snelheid heeft; als er slechts één vonk zou zijn in de motor, zou het grootste gedeelte van het mengsel de motor alweer uit zijn voordat het een kans had te ontbranden en zou de scramjet niet werken. Doordat de verbranding dus echter wel supersonisch plaats kan vinden, is de theoretische maximum snelheid van een scramjet Mach 20, of 21,000 km/u, vele malen hoger dan de Mach 1.4 van turbofans en de Mach 6 van ramjets.

Toestellen en onderzoek

Er zijn tot nu (2016) toe nog geen raketten of vliegtuigen geproduceerd die normaal gebruikmaken van een scramjet als voortstuwing. Wel zijn er enkele toestellen gebouwd en getest voor onderzoeksdoeleinden. De bekendste hiervan zijn de X-43 en de X-51, een gemeenschappelijk project van NASA, Boeing, USAF, DARPA en PWR. De X-51 zette in 2010 een record van 210 secondes op een snelheid van Mach 5. Dat is snel genoeg om binnen een uur van Parijs naar New York te vliegen, maar nog ver weg van de theoretische limiet van Mach 20. Toch is de scramjet een actief en interessant onderzoeksgebied voor veel lucht- en ruimtevaartbedrijven, omdat het potentieel een goedkope manier kan zijn om ruimtevaartuigen op snelheid te brengen alvorens deze de dampkring verlaten.

Limitaties en uitdagingen

De komende jaren zal het gebruik van scramjets als voortstuwing echter nog theorie blijven. Bij snelheden supersonische en hypersonische (meer dan Mach 5) snelheden produceert de wrijving van de lucht met toestellen namelijk een immense hitte. Er bestaan nog geen kosten-effectieve manieren die een raket of vliegtuig in staat zouden stellen om voor een lange periode Mach 20 te vliegen zonder op te branden. Zelfs hitte-bestendige materialen als titanium en keramiek smelten en vergassen op deze hoge snelheden. Daarnaast werkt een scramjet niet op lage snelheid, de lucht die de motor ingaat moet minstens Mach 4 gaan voordat de supersone ontbranding goed verloopt. Om een toestel tot die snelheid te brengen is dus altijd een andere motor nodig.