W tym eksperymencie Michael wykorzystał elektryczny wentylator kanałowy, druk 3D i propan, żeby stworzyć coś na wzór dopalacza stosowanego w myśliwcach. Najciekawsze jest jednak to, że ta próba nie skończyła się na jakimś byle pokazie płomieni. Konstruktor zmierzył bowiem rzeczywisty ciąg swojego napędu podczas próby i wykazał, że dodatkowe spalanie może wyraźnie poprawić jego osiągi.
Dopalacz z drukarki 3D. Jakim cudem to działa?
Podstawą eksperymentu jest EDF (Electric Ducted Fan), czyli elektryczny wentylator kanałowy wykorzystywany m.in. w modelach samolotów odrzutowych. Zasada jego działania jest stosunkowo prosta. W tej konstrukcji elektryczny silnik napędza wirnik, który zasysa powietrze i rozpędza je w kierunku przeciwnym do lotu. Powstaje w ten sposób ciąg, a wszystko odbywa się bez spalania paliwa.
Czytaj też: Pierwszy samolot stealth jak nowy. Był przyszłością wojny, a dziś jego rola jest inna
Rechtin postanowił jednak zamontować za wentylatorem dodatkową komorę, do której doprowadził propan. Po jego zapłonie energia cieplna trafia do przepływającego powietrza, zwiększając tym samym temperaturę gazów, które mogą następnie opuścić dyszę z większą prędkością. Efekt? Jeśli uda się odpowiednio wykorzystać tę energię, rośnie również ciąg całego napędu. Tyle teorii, bo w rzeczywistości takie rozwiązanie ma sporo ograniczeń.
Klasyczny silnik turboodrzutowy wykorzystuje sprężarkę, która znacząco zwiększa ciśnienie powietrza, podczas gdy EDF zapewnia znacznie mniejszy przyrost ciśnienia. Dochodzi do tego problem utrzymania płomienia w szybko przepływającym strumieniu powietrza, strat ciśnienia oraz odpowiedniego wymieszania paliwa z tlenem. Innymi słowy, samo podpalenie propanu za wentylatorem wcale nie musi przełożyć się na dodatkowy ciąg.
W swoim projekcie Rechtin wykorzystał oprogramowanie Onshape i drukarki 3D Bambu Lab, a kolejne wersje konstrukcji obejmowały zmiany w geometrii kanału przepływowego oraz sposobie podawania paliwa. Eksperyment wymagał również opracowania układu zapłonowego i sterowania dopływem propanu. Według relacji niemieckiego Heise konstruktor wykorzystał do tego m.in. mikrokontroler ESP32 i aparaturę modelarską.
Ciąg wzrósł o 50%, ale plastik zaczął się poddawać
Najważniejszym elementem eksperymentu był oczywiście pomiar. Napęd elektryczny generował około 9 N ciągu, a uruchomienie dopalacza zwiększyło tę wartość do 13,3 N, czyli o około 50 procent. Pomiary przy niższym obciążeniu wykazały, że ciąg wzrastał z około 2,3 do 4 N. Wyniki nie są więc bezpośrednio porównywalne dla całego zakresu pracy, ale potwierdzają, że dodatkowe spalanie może rzeczywiście zwiększać ciąg.
Czytaj też: Skrzydło samolotu zaczęło świecić. NASA zobaczyła coś, czego wcześniej nie dało się zmierzyć
Nie wszystko poszło jednak zgodnie z planem, bo pierwsza konstrukcja wykonana z PLA zaczęła się topić pod wpływem wysokiej temperatury, dlatego Rechtin przygotował kolejną wersję z żywicy do druku 3D. Ta przetrwała wystarczająco długo, żeby przeprowadzić pomiary, ale również wykazywała ślady uszkodzeń termicznych.
Co ciekawe, pisałem już o podobnym eksperymencie z plastikowym silnikiem rakietowym, w którym konstruktor próbował utrzymać materiał w całości dzięki chłodzeniu wodnemu. Tutaj podejście jest nieco inne, ale problem pozostaje dokładnie ten sam. Tworzywa sztuczne nie są przystosowane do długotrwałego kontaktu z gorącymi gazami, a nawet jeśli wytrzymają pojedynczy test, to nie oznacza to jeszcze, że poradzą sobie podczas wielominutowej pracy.
Czy taki dopalacz ma przyszłość?
Osobiście nie spodziewam się, żeby tego typu rozwiązanie miało w najbliższej przyszłości zrewolucjonizować napędy elektryczne. Dodatkowe 50 procent ciągu brzmi wprawdzie dosyć imponująco, ale przecież nie otrzymujemy go za darmo. Potrzebujemy osobnego zbiornika paliwa, instalacji doprowadzającej propan oraz komory spalania, a wszystko zwiększa masę i komplikuje konstrukcję. Nie znamy też pełnego bilansu energetycznego, więc trudno stwierdzić, czy taki napęd byłby opłacalny w rzeczywistym zastosowaniu. Zresztą nawet klasyczne dopalacze w myśliwcach są stosowane przede wszystkim wtedy, kiedy dodatkowy ciąg ma większe znaczenie niż zużycie paliwa.
Czytaj też: Zwykła chmura potrafi obejść zabezpieczenia samolotu
Teraz jednak Rechtin planuje stworzenie kolejnej wersji z metalu, co powinno rozwiązać przynajmniej część problemów związanych z odpornością na wysoką temperaturę. Moim zdaniem dopiero wtedy eksperyment stanie się naprawdę interesujący. Jeśli uda się utrzymać stabilne spalanie przez dłuższy czas, ograniczyć zużycie propanu i poprawić stosunek ciągu do masy całego układu, to otrzymamy coś więcej niż widowiskowy pokaz możliwości druku 3D. Na razie jest to przede wszystkim bardzo ciekawy dowód na to, że nawet stosunkowo prosty napęd elektryczny może zyskać zupełnie nowe możliwości dzięki połączeniu dwóch odmiennych technologii.
Źródła: Michael Rechtin, Interesting Engineering
