۱۲ برابر سرعت صوت؛ نگاهی به اولین جت مافوق‌صوت جهان با سوخت هیدروژنی

تصور کنید یک هواپیما با سرعتی بیش از ۱۲ ماخ، که دوازده برابر سرعت صوت است، در آسمان حرکت می‌کند! این هواپیما نه تنها با سوخت جت معمولی کار نمی‌کند، بلکه از سوخت هیدروژن بهره می‌برد که به معنای صفر درصد انتشار CO₂ است. شاید این موضوع شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر برسد، اما ممکن است به زودی به واقعیت بپیوندد. این دقیقاً همان هدف بلندپروازانه شرکت Hypersonix Launch Systems (HLS) مستقر در بریزبن، استرالیا است که در حال گشودن مرزهای جدیدی در پروازهای فوق سریع است. در این مقاله، به وعده وسایل نقلیه هایپرسونیک با سوخت هیدروژنی، چالش‌های مهندسی مرتبط با آن، تاریخچه پشت این فناوری و وضعیت فعلی آن‌ها خواهیم پرداخت.

موتور رمجت و اسکرمجت چیست و چه تفاوتی با هم دارند؟

تا کنون تحقیقات بنیادی، پروژه‌های دفاعی و تعداد محدودی پرواز آزمایشی، رقابت برای دستیابی به پرواز هایپرسونیک را تحت سلطه خود داشته‌اند. اما اکنون شرکتی ظهور کرده که موتورهای اسکرم‌جت با سوخت هیدروژن را برای پلتفرم‌های عملیاتی هدف قرار داده است. چرا هیدروژن؟ چرا هایپرسونیک؟ و چه اتفاقی رخ می‌دهد وقتی این دو فناوری با یکدیگر ترکیب شوند؟ ما بررسی خواهیم کرد چگونه Hypersonix تلاش دارد اولین جت هایپرسونیک جهان با سوخت هیدروژنی را بسازد، آنچه تاکنون می‌دانیم و چگونگی جایگاه این پیشرفت‌ها در تاریخ گسترده‌تر هوانوردی و هوافضا.

چشم‌انداز: ترکیب هایپرسونیک و هیدروژن

پرواز هایپرسونیک، که معمولاً به عنوان سرعت‌هایی بیش از ماخ ۵ تعریف می‌شود، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های حوزه هوافضا محسوب می‌شود: این پرواز مستلزم مواجهه با دماهای بسیار بالا، پیشرانه‌ای مبتنی بر هوا، مواد پیشرفته و نیازهای انرژی عظیم است. برای دهه‌ها بیشتر وسایل نقلیه هایپرسونیک یا توسط موشک تقویت شده‌اند (غیرهواتنفسی) یا توسط اسکرم‌جت‌هایی که با کروسن یا دیگر سوخت‌های هیدروکربنی کار می‌کنند.

اما گرایش جدید به آزمایش با سوخت هیدروژن معطوف شده است. وب‌سایت Hypersonix تصریح می‌کند که موتورهای این کمپانی «با سوخت هیدروژن برای سرعت‌های بالاتر از ماخ» کار می‌کنند و هنگام استفاده از هیدروژن سبز تنها گاز H₂O تولید می‌کنند. موتور اسکرم‌جت این شرکت که SPARTAN نام دارد، در منابع عمومی به عنوان «چاپ سه‌بعدی شده، قابل استفاده مجدد، قادر به دستیابی به سرعت ماخ ۱۲ بدون اجزای متحرک» توصیف شده است.

ایده اصلی این است که چگالی انرژی بالای هیدروژن نسبت به جرم واحد و خروجی پاک آن (آب به جای CO₂)، آن را برای پروازهای سریع در جو زمین ایده‌آل می‌کند. ترکیب این ویژگی‌ها با اسکرم‌جت (رمجت احتراقی مافوق صوت) یک سیستم پیشرانه ایجاد می‌کند که هوا را با سرعت مافوق صوت وارد کرده، با هیدروژن مخلوط می‌کند و می‌سوزاند.

البته هدف‌گذاری سرعتی «دوازده برابر سرعت صوت» همچنان بسیار بلندپروازانه است. گزارشی در Interesting Engineering مدعی است که Hypersonix در حال توسعه «اولین جت مافوق صوت جهان با سوخت هیدروژن» است و ماخ ۱۲ را به عنوان هدف سرعت خود تعیین کرده است.

به طور خلاصه، چشم‌انداز این پروژه ساخت یک هواپیمای مافوق صوت قابل استفاده مجدد با سوخت هیدروژن یا شاید اولین جت مافوق صوت از نوع خود باشد، که پیامدهای مهمی برای صنعت دفاعی، فضانوردی، حمل‌ونقل سریع و پایداری خواهد داشت.

موتور و پلتفرم: SPARTAN, DART, VISR

از بسیاری جهات، قلب داستان، موتور آن است: اسکرم‌جت SPARTAN. این موتور توسط Hypersonix توسعه یافته و گفته شده که به صورت سه‌بعدی چاپ شده، هوا-تنفسی بوده، با سوخت هیدروژن کار می‌کند و هدفش رسیدن به سرعت‌های تا ۱۲ ماخ بدون نیاز به اجزای متحرک است.

جزئیات پلتفرم:

• DART AE: یک شبیه‌ساز ۳.۵ متری که از موتور SPARTAN نیرو می‌گیرد و قرار است تحت برنامه HyCAT متعلق به واحد نوآوری دفاع آمریکا (DIU) پرواز کند.
• VISR: یک هواپیمای بزرگ‌تر کاملاً قابل استفاده مجدد ۸ متری، با سوخت هیدروژن طراحی شده برای مأموریت‌های اطلاعاتی، نظارتی و شناسایی که از چهار موتور SPARTAN و کامپوزیت‌های ماتریکس سرامیکی دمای بالا استفاده می‌کند.
• Delta Velos: نسل بعدی سیستم پرتاب با کادانس بالا قابل استفاده مجدد که باز هم با سوخت هیدروژن کار کرده و هدفش رسیدن به سرعت ۱۲ ماخ است.

در اینجا جدول خلاصه شده با جزئیات آمده است:

چالش‌های فنی این پروژه بسیار چشمگیر هستند: نصب یک موتور اسکرمجت، تزریق سوخت هیدروژنی در سرعت‌های بالا، مدیریت بارهای حرارتی شدید و استفاده از روش‌های تولید افزایشی (چاپ سه‌بعدی) همگی نشان‌دهنده پیشرفتی تحول‌آفرین در مهندسی هوافضا هستند.

تاریخچه استفاده از هیدروژن و فناوری مافوق‌صوت در هوانوردی

در حالی که Hypersonix افق‌های جدیدی را در زمینه پرواز هایپرسونیک می‌گشاید، ریشه‌های پرواز با سوخت هیدروژنی و موتورهای هواتنفسی مافوق‌صوت به چندین دهه قبل بازمی‌گردد.

پرواز با سوخت هیدروژنی: از دهه ۱۹۵۰ تاکنون هیدروژن به عنوان یک سوخت بالقوه برای هوانوردی مطرح بوده است. برخی پروازهای آزمایشی موفقیت‌آمیز نیز اخیراً با موتورهای آزمایشی مجهز به سوخت هیدروژنی در هوانوردی منطقه‌ای و عمومی انجام شده‌اند. مزایای استفاده از هیدروژن شامل انرژی ویژه بالا و احتراق پاک (تولید بخار آب به جای CO₂) است. چالش‌ها شامل تولید و ذخیره‌سازی هیدروژن (به صورت مایع یا تحت فشار بالا)، نیاز به حجم مناسب و عایق‌بندی دقیق و ادغام آن با محدودیت‌های طراحی هواپیما می‌شود که نهایتاً امکان دستیابی به سرعت‌های مافوق صوت را فراهم می‌کند.

مفهوم «هواپیمایی بدون آلایندگی» اغلب از سوخت هیدروژنی به عنوان راهکاری بالقوه یاد می‌کند. برای مثال نسخه مفهومی Zero Emission Hyper Sonic Transport (ZEHST) که توسط EADS/JAXA در سال ۲۰۱۱ پیشنهاد شد، سرعتی معادل ~۴.۵ ماخ را با استفاده از ترکیب موتورهای مختلف و سوخت هیدروژنی تصویر می‌کرد. همچنین ایرباس تحقیقات خود را برای توسعه هواپیماهای مادون صوت معمولی با نیروی محرکه‌ی مبتنی بر هیدروژن ادامه می‌دهد که مناسب حمل مسافر و بار باشد.

موتورهای مافوق‌صوت هواتنفسی (اسکرم‌جت‌ها و فراتر از آن): استرالیا بیش از دو دهه است که این فناوری را مورد تحقیق قرار داده. پروژه دانشگاهی HyShot (مرکز تکنولوژی مافوق‌صوت دانشگاه کوئینزلند استرالیا) در اوایل دهه ۲۰۰۰ توانست احتراق مافوق صوت تحت شرایط پرواز را به تصویر بکشد. ایده اسکرم‌جت‌ها یا رمجت‌های احتراق مافوق صوت در بسیاری از برنامه‌های دفاع ملی و پرتاب فضایی بررسی شده است.

Hypersonix این دو مسیر را ترکیب کرده است: سوخت هیدروژنی و پیشران مافوق‌صوت اسکرمجت. این شرکت تلاش دارد تا این دو را در پلتفرم‌های عملیاتی ادغام کند.

این ترکیب اهمیت بسیاری دارد: سوخت هیدروژنی سبک‌تر است که اجازه می‌دهد شتاب خروجی بیشتری (از نظر تئوری) حاصل شود؛ هنگامی که در معماری اسکرمجت اعمال شود، امکان دستیابی به محدوده بالاتر از ۸ ماخ تا ۱۰-۱۲ ماخ فراهم می‌شود؛ برخلاف محدوده ۲-۴ ماخ در اکثر جت‌های مافوق صوت.

علم پشت اعداد نجومی

عدد چشمگیر ۱۲ ماخ (تقریباً ۱۲ برابر سرعت صوت) نه تنها به عنوان یک هدف فنی بلکه به عنوان ابزاری برای ارسال پیام عمل می‌کند. اما این عدد چه معنایی دارد و علم پشت این اعداد چیست؟

بیایید به آن نگاهی دقیق‌تر بیندازیم. ۱ ماخ تقریباً معادل ۱,۲۳۵ کیلومتر در ساعت (در سطح دریا) است. بنابراین ۱۲ ماخ حدوداً برابر با ۱۴,۸۲۰ کیلومتر در ساعت خواهد بود (در سطح دریا، در حالی که سرعت ۱۲,۰۰۰ کیلومتر در ساعت مربوط به ارتفاع ۳۰,۰۰۰ متر است). در چنین سرعت‌هایی، هواپیما تقریباً ۲۴۵ کیلومتر را در هر دقیقه طی می‌کند. برای مقایسه، ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) زمین را با سرعتی حدود ۲۲ ماخ (۲۷,۶۰۰ کیلومتر در ساعت) دور می‌زند. تصور کنید فاصله بین قاره‌ها را در کمتر از یک ساعت با چنین سرعت‌های کیهانی پیمود!

در عین حال، چالش‌های فنی شامل تمامی موارد مرتبط با فیزیک و محدودیت‌های آن می‌شود. در سرعت ۱۲ ماخ، شما وارد چیزی می‌شوید که مهندسان جوی آن را «رژیم مافوق‌صوت» می‌نامند: پرواز در جو زمین و نه فضا به این معناست که بارهای حرارتی بر روی بدنه هواپیما بسیار شدید هستند، مولکول‌های هوا شروع به تجزیه شدن می‌کنند، موج‌های شوک میدان جریان را تحت سلطه قرار می‌دهند و کارکرد موتور (ورودی هوا، محفظه احتراق و خروجی) به شدت پیچیده می‌شود.

به همین دلیل دستیابی به سرعت مافوق‌صوت در فضا آسان‌تر بوده اما نه در جو متراکم زمین. مواد باید فشارهای حرارتی شدیدی را تحمل کنند و طراحی آیرودینامیکی باید پایداری خود را در سرعت‌ها و ارتفاعات بالا حفظ کند. استفاده از سوخت هیدروژن نیز پیچیدگی‌های دیگری را معرفی می‌کند: ذخیره‌سازی برودتی یا تحت فشار بالا، مدیریت سوخت در سرعت‌های بالا و ترکیب/احتراق هیدروژن در جریان هوای مافوق‌صوت.

اما چرا هیدروژن مفید است؟ طبق ادعای Hypersonix، هیدروژن امکان دستیابی به اعداد ماخ بالاتر را فراهم می‌کند زیرا انرژی ویژه بیشتری دارد و خروجی پاک‌تری تولید می‌کند. وب‌سایت این کمپانی تصریح می‌کند: «پیشرانه اسکرمجت هواتنفسی بدون قطعات متحرک؛ سوخت هیدروژنی برای دستیابی به ماخ بالاتر.»

چرا اهمیت دارد: پیامدهای عملی رسیدن به ماخ ۱۰ تا ۱۲ چندگانه هستند:

• حمل‌ونقل سریع جهانی: پروازهای مسافری یا باری ظرف چند دقیقه، نه ساعت‌ها.
• مأموریت‌های دفاعی/اطلاعاتی-شناسایی (ISR): پلتفرم‌هایی مافوق‌صوت که امکان حمله یا نظارت سریع‌تر از همیشه را فراهم می‌کنند.
• دسترسی به فضا: پرواز جوی مافوق‌صوت می‌تواند به عنوان مرحله اول یا سیستم پرتاب هوایی برای وسایل نقلیه فضایی عمل کند.
• پایداری: استفاده از هیدروژن سبز می‌تواند انتشار CO₂ را برای پروازهای با عملکرد بالا کاهش دهد.
• به طور خلاصه، رسیدن به سرعت ۱۲ ماخ فقط بحث سرعت نیست بلکه درباره ایجاد دسته جدیدی از پروازها است.

وضعیت فعلی و چشم‌انداز رقابتی

آنچه که درباره وضعیت کنونی برنامه Hypersonix می‌دانیم چیست و چگونه با دیگر ابتکارات مقایسه می‌شود؟

وضعیت کنونی Hypersonix: این شرکت اخیراً موفق به جمع‌آوری ۴۶ میلیون دلار آمریکا سرمایه (Series A) شده است تا توسعه هواپیما و موتور هایپرسونیک هیدروژنی خود را تسریع بخشد. طبق گزارش Aerospace Testing International، این بودجه برای موارد زیر تخصیص یافته است: پرتاب DART AE تحت برنامه HyCAT ایالات متحده با حمایت ناسا، ارتقای قابلیت‌های تولید پیشرفته در کوئینزلند، و توسعه فناوری VISR.

اما Hypersonix تنها شرکتی نیست که در حوزه تحقیقات پرواز هایپرسونیک فعالیت می‌کند. تلاش‌های دیگری نیز در سطح جهانی برای پیشرانه‌های مافوق‌صوت در حال انجام هستند؛ به عنوان مثال، شرکت فرانسوی-سوئیسی Destinus Aerospace (Destinus) در حال توسعه یک هواپیمای بدون سرنشین هایپرسونیک با سوخت هیدروژنی و یک هواپیمای مسافربری با شرایطی مشابه است.

در حال حاضر، بیشتر برنامه‌های سنتی مافوق‌صوت (به‌ویژه در کاربردهای نظامی) از اسکرم‌جت‌های سوخت نفت سفید یا بوسترهای راکتی به همراه حامل گلایدری استفاده می‌کنند. رویکرد منحصربه‌فرد Hypersonix ترکیب هیدروژن و اسکرم‌جت برای پلتفرم‌های عملیاتی است.

در زمینه گسترده‌تر هوافضا و دفاع، بسیاری از کشورها سرمایه‌گذاری‌های سنگینی در فناوری مافوق‌صوت انجام داده‌اند (از جمله ایالات متحده، چین، روسیه و استرالیا)، هم برای اهداف استراتژیک و هم تجاری.

با این حال، چالش‌های فراوانی برای تحقق این فناوری علمی-تخیلی وجود دارد. اولاً، پروازهای آزمایشی هنوز انجام نشده‌اند؛ اهداف اعلام‌شده مانند رسیدن به سرعت ۱۲ ماخ هنوز در پروازهای پایدار جوی اثبات نشده‌اند. دوم اینکه ذخیره هیدروژن داخل هواپیما چالش‌هایی نظیر حجم زیاد، نیاز به عایق‌بندی ویژه، سیستم‌های برودتی و فشار بالا را ایجاد می‌کند که وزن و پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، حامل‌های مافوق‌صوت هواتنفسی قابل استفاده مجدد به طور طبیعی پیچیده‌تر از بسترهای آزمایشی یکبار مصرف هستند؛ بنابراین انتقال به یک جت کاملاً عملیاتی بسیار دشوار خواهد بود. همچنین مدیریت حرارت، عمر موتور، خستگی مواد و کنترل آیرودینامیکی در سرعت‌های بالای هایپرسونیک همچنان موضوعات تحقیقاتی فعال هستند.

بنابراین اگرچه جاه‌طلبی‌ها واقعی هستند اما عملیاتی شدن کامل این فناوری همچنان در مراحل پیشرفت قرار دارد. با این حال، واقعیت اینکه Hypersonix توانسته بودجه عمده‌ای تأمین کند و تحت قرارداد برنامه DIU/HyCAT ایالات متحده قرار گیرد نشان‌دهنده اعتماد صنعت به این پروژه است.

آنچه آینده ممکن است به همراه داشته باشد

پتانسیل پرواز‌های مافوق‌صوت با سوخت هیدروژن فراتر از شکستن رکوردهای سرعت است. اگر شرکت Hypersonix موفق شود، پیامدهای آن می‌تواند صنعت حمل‌ونقل جهانی، دفاع و دسترسی به فضا را متحول کند. یک جت مجهز به سوخت هیدروژنی که قادر به رسیدن به سرعت ۱۲ ماخ باشد، می‌تواند سفرهای بین‌قاره‌ای را از چند ساعت به چند دقیقه کاهش دهد و امکان انتقال مسافران یا بار بین قاره‌ها را در زمانی که برای تماشای یک فیلم کوتاه کافی است، فراهم کند. در حوزه لجستیک، همین سرعت می‌تواند تجهیزات حیاتی و منابع مورد نیاز را تقریباً به‌طور فوری در سراسر جهان تحویل دهد. در همین حال، در صنعت فضایی، وسایل نقلیه هایپرسونیک قابل استفاده مجدد می‌توانند به عنوان مرحله اول سیستم‌های پرتاب مداری عمل کنند و هزینه‌ها و انتشار گازهای آلاینده را کاهش دهند.

برای صنعت هواپیمایی، هیدروژن نه تنها جایگزینی پاک‌تر بلکه محرکی برای عملکرد بالاتر محسوب می‌شود. چگالی انرژی بالای این سوخت امکان رانش پایدار در سرعت‌های هایپرسونیک را فراهم کرده و تنها بخار آب را هنگام احتراق با اکسیژن تولید می‌کند. موتور SPARTAN نمونه‌ای از تعادل بین سرعت بالا و پایداری است؛ یعنی «پرواز سبز» و سرعت بی‌سابقه می‌توانند همزمان وجود داشته باشند. تمرکز شرکت استرالیایی سازنده بر قابلیت استفاده مجدد نیز اهمیت زیادی دارد: اگر وسایل نقلیه مافوق‌صوت بتوانند بارها پرواز کنند و تنها برای آزمایش‌های مصرفی استفاده نشوند، اقتصاد پرواز‌های سریع ممکن است به‌طور چشمگیری تغییر کند و راه برای تجاری‌سازی این فناوری باز شود.

همان‌طور که دکتر مایکل اسمارت، یکی از بنیانگذاران Hypersonix توضیح می‌دهد، SPARTAN «فراتر از یک سیستم رانش است؛ این یک پیشرفت بزرگ در پرواز‌های هایپرسونیک قابل استفاده مجدد است.»

سخنان او چشم‌اندازی وسیع‌تر را نشان می‌دهد: جایی که قدرت پاک هیدروژنی، تولید کارآمد و سرعت انقلابی با هم ترکیب شوند تا بستری عملی برای صنعت هواپیمایی ایجاد کنند. با پیشرفت برنامه‌های DART AE و VISR و انتقال موتورهای اسکرمجت هیدروژنی از آزمایشگاه‌ها به باند پرواز، مرز بین علم هوافضای امروز و سفر هوایی آینده شروع به محو شدن کرده است. دوران پرواز‌های پایدار مافوق‌صوت ممکن است زودتر از آنچه انتظار داشتیم فرا برسد.