موتورهای مافوق صوت اسکرمجت چگونه کار می کنند؟

احتراق فراصوت برای به حرکت درآوردن اسکرمجت های مافوق صوت، که با سرعت بیش از ۵ ماخ حرکت می کنند، استفاده می شود. این موتورها اساساً با موتورهای جت سنتی متفاوت هستند. آنها دارای طراحی کارآمدتر و سرراست تری هستند که اتکا به قطعات چرخشی مانند کمپرسورها و توربین ها را از بین می برد. هوای ورودی که توسط حرکت رو به جلوی حامل فشرده می شود، در ادامه با سوخت ترکیب شده و در شرایط فراصوت مشتعل می شود. بدین ترتیب، این امکان برای اسکرام جت ها فراهم می شود که در حین پرواز با سرعت های بسیار بالا با بالاترین کارایی عمل کنند.

موتور اسکرمجت – یا “رمجت احتراق فراصوت” – یک نوآوری در طراحی اورجینال موتور رمجت است که محفظه احتراق داخلی را برای حذف مخروط های شوک تغییر می دهد. در یک رمجت سنتی، سرعت هوای وارد شونده به ورودی موتور توسط مخروط های شوک که مسیر عبور فشار هوا را باریک می کنند، کند می شود و به نوبه خود، سرعت جت را افزایش می دهد. با این حال، اسکرمجت ها از امواج کوبشی تولید شده توسط منبع احتراق موتور استفاده می کنند تا سرعت هوای وارد شده به ورودی موتور را برای احتراق کند نمایند.

علاوه بر این، موتور اسکرمجت قادر است احتراق موتوری را در سرعت های فراصوت انجام دهد، در حالی که رمجت سنتی باید هوای ورودی موتور را تا سرعت های مادون صوت کند کند. این تغییر به موتورهای اسکرمجت اجازه می دهد تا با سرعت بالاتری نسبت به موتورهای رمجت کار کنند. اسکرمجت ها می توانند با سرعت ۶ ماخ و بالاتر کار کنند و در برخی از آزمایش ها در هنگام استفاده از این موتورها به سرعت کروز ۱۰ ماخ نیز می رسند. با این حال، مانند موتورهای رمجت معمول، عملکرد آنها حتی برای شروع کار به سرعت بالایی نیاز دارد. در مرحله آزمایش، هواپیماهایی که دارای موتورهای اسکرمجت هستند باید توسط هواپیمای دیگری به ارتفاع بالا برده شوند و سپس قبل از اینکه بتوانند با اهداف خود درگیر شوند، توسط موتور دیگری به سرعت عملیاتی خود برسند.

X-51 Waverider ساخت بوئینگ امکانپذیری فناوری اسکرمجت را در طی یک پرواز آزمایشی در سال ۲۰۱۳ نشان داد و در حالی که به مدت بیش از سه دقیقه پرواز کرد، به سرعت ۵.۱ ماخ رسید، آنطور که در رسانه رسمی بوئینگ گزارش شده است. X-51 Waverider توسط یک بمب افکن B-52 Stratofortress برای تست پرواز تاریخی خود به ارتفاع برده شد. دستگاه هایی که از این موتور متفاوت و قدرتمند استفاده می کنند، اکتشافات فضایی گرفته تا سیستم های موشکی پیشرفته یا سفرهای بین قاره ای فوق سریع را شامل می شود، پیشرانه مافوق صوت دارای پتانسیل گسترده ای در حوزه هوافضای نظامی و تجاری است.

اصول طراحی موتورهای اسکرمجت

با حذف قطعات متحرک، اسکرمجت های مافوق صوت، هوای ورودی را با استفاده از جریان هوای با سرعت بالای از قبل در دسترس فشرده می کند. فرآیند ایجاد افزایش فشار مورد نیاز برای احتراق به بالا بودن سرعت حامل در ابتدای چرخه بستگی دارد. طراحی این موتور از یک نازل تولید نیروی پیشرانه، یک محفظه احتراق با ساختار ظاهری مناسب برای جریان هوای مافوق صوت و یک ورودی مستقیم استفاده می کند. برخلاف موتورهای رمجت قبلی، موتورهای اسکرمجت به تولید جریان هوای فراصوت در طول چرخه موتور ادامه می دهند. این طرح هرگونه نیاز برای پاشش مادون صوت که برای احتراق موثر در رمجت ها ضروری است، را حذف می کند. همانطور که ناسا در صفحه وب آموزشی خود توضیح می دهد، اسکرمجت ها با حذف کاهش سرعت جریان هوا تا سطوح زیر صوت، که یک محدودیت اساسی در رمجت هاست، به سرعت عملیاتی بالاتری دست می یابند.

ساخت موتور به دلیل حذف قطعات متحرک، ساده تر و سبک تر می شود، اما دقت طراحی آیرودینامیکی و ترمودینامیکی بسیار مهم است. با نازلی که نیروی پیشرانه را تامین می کند و سیستم ورودی که هوا را فشرده می کند، ساختار حامل خود به عنوان یک جزء جدایی ناپذیر از موتور عمل می کند. به دلیل ترکیبی از اصطکاک هوای با سرعت بالا و دمای احتراق، مواد مورد استفاده در اسکرمجت ها باید قادر به مقاومت در برابر دماهای بسیار بالا باشند. یکی از چالش های اصلی مهندسی موتور، هنوز ساخت قطعات و موادی است که بتوانند در این محیط سالم بمانند. تلاش‌های توسعه ادامه دارد، اما مانند همیشه، تخصیص بودجه مسابقه‌ای است که می‌تواند زمانِ پیش از دستیابی به نتایج را طولانی‌تر کند.

کاربردها در هوافضا

ابزارهایی که به سرعت های مافوق صوت پایدار نیاز دارند، مانند اکتشاف فضایی، سیستم های نظامی پیشرفته و حمل و نقل تجاری بسیار سریع، می توانند توسط اسکرمجت ها متحول شوند. آزمایش موفقیت آمیز X-51 Waverider پتانسیل استفاده از پیشرانه اسکرمجت را در حامل های پرسرعت نشان داد. بنیان پیشرفت موفقیت آمیز این فناوری با نمایش پرواز مافوق صوت برنامه X-51 گذاشته شد. مقاله ای از وزارت دفاع ایالات متحده توضیح می‌دهد که چگونه سیستم‌های مافوق صوت مجهز به جت‌های اسکرمجت برای مقاصد نظام، مانند سامانه‌های موشکی که قادر به حرکت با سرعت بیش از حد بالا برای رهگیری با مکانیسم‌های دفاعی متعارف هستند، مورد بررسی قرار می‌گیرند.

.

با کاهش هزینه پرتاب به مدار، اسکرمجت ها این پتانسیل را دارند که سفر فضایی را فراتر از کاربردهای نظامی متحول کنند. مهندسان امیدوارند با استفاده از اسکرمجت‌ها در مراحل اولیه پرتاب‌های فضایی، جایگزینی برای بوسترهای راکتی مرسوم که از سوخت های سنگین و گرانقیمت شیمیایی استفاده می کنند، پیدا کنند. بالا بردن شتاب به شکلی کارآمد تا سرعت های مداری در جو زمین می تواند موانع سفر فضایی را کاهش دهد که امکان انجام ماموریت های اکتشاف فضایی عمیق تر و استقرار ماهواره ها به شکلی سریعتر و کم هزینه تر را فراهم کند. یکی دیگر از زمینه‌های امیدوارکننده، حمل‌ونقل محموله به شکل مافوق صوت است که می‌تواند در کسری از زمانی که حمل‌ونقل هوایی سنتیِ حال حاضر طول می‌کشد، محموله‌ها را به نقاطی در سراسر جهان تحویل دهند. فقط فکر کنید، می توانید یک روسری دست دوز از سوئیس سفارش دهید و همان روز آن را به کالیفرنیا تحویل دهید. اما به سختی می توان گفت که هزینه های حمل و نقلی چنین سریع چقدر می تواند باشد!

چالش های توسعه اسکرمجت

پتانسیل های امیدوارکننده زیادی در حوزه اسکرمجت ها وجود دارد. با این حال، فناوری اسکرمجت قبل از اینکه یک هواپیما یا فضاپیمای عملیاتی با این تکنولوژی بر روی آسفالت حرکت کند، موانع زیادی برای غلبه بر آن ها پیش روی خود دارد. شرایط سخت و غیرقابل تصور پرواز مافوق صوت، یک سری چالش های مهندسی را در رابطه با احتراق پایدار، مدیریت حرارت و دوام مواد ایجاد می کند. تحقیق در مورد مواد جدید نوآورانه ای که می توانند چنین تنش های حرارتی را تحمل کنند ضروری است زیرا تنها گرمای حاصل از اصطکاک هوا در سرعت های بالاتر از ۵ ماخ می تواند به هزاران درجه سانتیگراد برسد. علاوه بر این، اسکرمجت ها به احتراق و سیستم های تزریق سوخت دقیقی نیاز دارند که بتوانند در جریا های هوای بسیار سریع، فشرده و متلاطمی که در احتراق های فراصوت رایج است، عملکردی قابل اطمینان داشته باشد.

توسعه نسل بعدی موتورهای اسکرمجت نیازمند تمرکز بر طرح هایی است که احتراق کارآمد و کنترل شده ای را در سرعت های مافوق صوت حفظ می کنند. نورثروپ گرومن در تلاش های تحقیقاتی خود با ظرفیت کامل در حال پرداختن به این مسائل است. هدف کارهای آن‌ها بهبود انعطاف‌پذیری ساختاری و عملیاتی ساخت موتور اسکرمجت در شرایط سخت است. این امر مستلزم پیشرفت در آزمایشات تجربی و همچنین مدل سازی کامپیوتری است. امکان پذیری پذیرش گسترده اسکرمجت در صنعت هوافضا به این بستگی دارد که این موانع فنی چقدر خوب حل شده و با چه سرعتی برطرف می شوند.

به عنوان یک آزمایش امیدوارکننده که پتانسیل یک پیشرفت بزرگ در فناوری نیروی پیشرانه را دارد، اسکرمجت ها سرعت و کارایی بی نظیری را برای کاربردهای مختلف هوافضا ارائه می دهند. موفقیت X-51 Waverider نشان دهنده پیشرفت های صورت گرفته در این زمینه تا به امروز است و تایید می کند که پرواز پایدار مافوق صوت امکان پذیر است. پیشرفت‌های آینده در علم مواد، آیرودینامیک و ترمودینامیک برای غلبه بر موانعی که مانع از توسعه اسکرمجت می‌شوند ضروری خواهد بود. عصر جدیدی از نوآوری های هوافضا را می توان با استفاده کامل از این فناوری آغاز کرد که پتانسیل ایجاد انقلابی در حوزه دفاعی، اکتشاف فضایی و حمل و نقل بین المللی را دارد.

موشک هایپرسونیک چیست؟ همه چیز در مورد انواع، برد و راه‌های مقابله با این سلاح مخوف