موتور اسکرم جت با حفظ احتراق در جریان هوای مافوق صوت، موشک های کروز مافوق صوت را قادر می سازد با سرعتی بالاتر از 5 ماخ پرواز کنند.
گزارش کردن سرویس هوافضای تکناکبرای حفظ پرواز در سرعت های بالاتر از 5 ماخ، موشک های کروز مافوق صوت به موتورهایی نیاز دارند که بتوانند به طور مداوم در شرایط جوی بسیار سخت نیروی رانش ایجاد کنند.
یک موتور اسکرام جت با استفاده از اکسیژن در هوا یکی از فناوری های اصلی برای دستیابی به چنین قابلیتی است، اما کنترل احتراق در جریان هوای مافوق صوت چالش های مهندسی پیچیده ای را به همراه دارد.
یک موشک مافوق صوت نه تنها باید برای مدت کوتاهی به سرعت بسیار بالایی برسد. موشک کروز باید بتواند در حین حرکت در جو با سرعتی حداقل پنج برابر سرعت صوت به پرواز خود ادامه دهد. موتور اسکرام جت برای پاسخ به این نیاز توسعه یافته است.
اسکرام جت (ScramJet)، مخفف عبارت «Supersonic Combustion Ramjet»، نوعی موتور تنفس کننده هوا است. این موتور از حرکت سریع موشک برای فشرده سازی هوای ورودی استفاده می کند و سپس با تزریق سوخت و انجام فرآیند احتراق، نیروی رانش لازم برای ادامه پرواز را ایجاد می کند.
ایده اصلی پشت این فناوری ساده به نظر می رسد، اما اجرای آن در وسیله نقلیه ای که می تواند بیش از یک مایل در ثانیه را طی کند بسیار دشوار است. مهندسان باید به طور همزمان جریان هوا، احتراق، امواج ضربه ای و دمای بسیار بالا را مدیریت کنند.
بیشتر بخوانید: موشک سنتینل برای اولین بار به صورت عمودی مونتاژ شد
عملکرد موتور اسکرام جت در سرعت مافوق صوت
موتورهای توربوفن هواپیماهای تجاری از پره های کمپرسور چرخشی برای فشرده سازی هوا استفاده می کنند، اما اسکرام جت ها این کار را نمی کنند. شکل ورودی هوا و سرعت بسیار بالای موشک، هوای ورودی را در فضای محدود متراکم می کند و در نتیجه فشار و دمای آن افزایش می یابد.
پس از فشرده شدن هوا، سوخت به جریان هوای ورودی تزریق می شود. این سوخت معمولاً هیدروکربن یا هیدروژن است. مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق مشتعل می شود و انرژی آزاد شده گازها را از نازل انتهای موتور خارج می کند تا نیروی رانش ایجاد شود.
یکی از ویژگی های کلیدی موتور اسکرام جت این است که جریان هوا هنگام عبور از محفظه احتراق مافوق صوت باقی می ماند. موتورهای رم جت معمولی سرعت جریان هوای ورودی را قبل از شروع احتراق کمتر از سرعت صوت کاهش می دهند. این روش به تدریج با افزایش عدد ماخ کمتر اثر می کند.
حفظ سرعت مافوق صوت جریان هوا به اسکرام جت اجازه می دهد تا در محدوده ای کار کند که موتورهای جت معمولی قادر به کار نیستند. البته این طراحی یک محدودیت اساسی نیز ایجاد می کند. یک اسکرام جت نمی تواند نیروی رانش مفیدی را هنگام توقف یا حرکت با سرعت کم ایجاد کند.
بنابراین، موشک باید قبل از احتراق اسکرام جت به سرعت کافی برسد. یک موشک تقویت کننده یا هواپیماهای دیگر می تواند این تقویت اولیه را فراهم کند. پس از رسیدن موشک به شرایط مناسب، اسکرام جت روشن می شود و وظیفه تامین نیروی رانش در قسمت اصلی پرواز را بر عهده می گیرد.
بیشتر بخوانید: موشک کروز اروپا با برد بیش از هزار کیلومتر رونمایی شد
مزیت اسکرام جت برای موشک های کروز مافوق صوت
موشک ها برای اینکه مستقل از جو عمل کنند، علاوه بر سوخت، باید مواد اکسید کننده مورد نیاز برای احتراق را نیز حمل کنند. موتور اسکرام جت اکسیژن مورد نیاز خود را مستقیماً از هوای اطراف دریافت می کند و نیازی به حمل اکسید کننده جداگانه در مرحله کروز ندارد.
حذف اکسید کننده می تواند وزن خودرو را کاهش دهد و فضای بیشتری را برای سوخت، حسگرها یا محموله فراهم کند. این ویژگی همچنین امکان پرواز مداوم در جو را فراهم می کند، در حالی که برخی دیگر از سیستم ها فقط برای مدت محدودی از پرواز از نیروی محرکه استفاده می کنند.
این تفاوت موشک کروز مجهز به موتور اسکرام جت را از سلاح های مافوق صوت بوستگلاید متمایز می کند. دستگاه بوستگلاید ابتدا با کمک موشک شتاب می گیرد و سپس به سمت هدف می لغزد. در مقابل، یک موشک کروز مافوق صوت با موتور تنفس هوا می تواند به تولید نیروی رانش در مرحله کروز ادامه دهد.
وجود نیروی رانش مداوم می تواند انعطاف بیشتری را برای موشک برای تغییر مسیر یا انجام مانور ایجاد کند. ترکیب سرعت بالا، مسیر پرواز در ارتفاع کم و قابلیت مانور بالقوه نیز می تواند زمان واکنش سامانه های پدافندی را کاهش داده و فرآیند شناسایی و رهگیری را دشوارتر کند.
با وجود این مزایا، Scrumjet نمی تواند در هر شرایطی کار کند. این موتور به اکسیژن موجود در جو وابسته است و عملکرد آن تحت تاثیر ارتفاع، چگالی هوا و سرعت است. موتور باید در محدوده نسبتاً مشخصی از شرایط پرواز کار کند تا نیروی رانش قابل اعتماد تولید کند.
بیشتر بخوانید: موشک کروز اروپا با برد بیش از هزار کیلومتر رونمایی شد
احتراق در چند میلی ثانیه و چالش شدید گرما
یکی از سخت‌ترین بخش‌های فناوری اسکرام جت، حفظ احتراق در جریان هوایی است که با سرعت‌های مافوق صوت از موتور عبور می‌کند. این فرآیند با روشن کردن کبریت در وسط طوفان مقایسه شده است. هوا تنها در چند میلی ثانیه از محفظه عبور می کند و سوخت فرصت بسیار محدودی برای مخلوط شدن با هوا، مشتعل شدن و سوختن موثر دارد.
مهندسان باید از خاموش شدن شعله جلوگیری کرده و در عین حال امواج ضربه ای در ورودی هوا و محفظه احتراق را کنترل کنند. هر گونه اختلال جدی در جریان هوا می تواند پدیده ای به نام “در شروع” ایجاد کند. این وضعیت می تواند باعث افت ناگهانی نیروی رانش شود و حتی بر پایداری وسیله نقلیه پرنده تأثیر بگذارد.
دمای بسیار بالا یکی دیگر از چالش های مهم است. اصطکاک و فشرده سازی هوا، بدنه موشک و اجزای موتور را در معرض گرمای شدید قرار می دهد. به همین دلیل طراحی چنین دستگاهی به مواد مقاوم در برابر حرارت، پوشش های محافظ و سیستم های خنک کننده دقیق نیاز دارد.
حتی یک تغییر جزئی در ارتفاع می تواند نحوه ورود هوا به موتور را تغییر دهد. بنابراین بدنه موشک، ورودی هوا، محفظه احتراق و نازل باید به عنوان بخشی از یک سیستم پیشرانه یکپارچه طراحی شوند. عملکرد هر بخش به طور مستقیم بر سایر بخش ها تأثیر می گذارد.
در سال 2004، ناسا پتانسیل این فناوری را با وسیله نقلیه تحقیقاتی بدون سرنشین X-43A نشان داد. این هواپیمای آزمایشی در یکی از پروازهای خود به سرعت تقریبی 9.6 ماخ رسید و رکورد سرعت یک هواپیمای تنفس هوا را به نام خود ثبت کرد.
این آزمایش نشان داد که احتراق اسکرام جت با سرعتی نزدیک به 10 برابر سرعت صوت امکان پذیر است. پس از آن، فناوری اسکرام جت به بخش مهمی از چندین برنامه تحقیقاتی نظامی تبدیل شد.
با این حال، دستیابی به یک پرواز آزمایشی موفق با تولید یک موشک عملیاتی بسیار متفاوت است. چنین موشکی باید بتواند موتور خود را با اطمینان راه اندازی کند، مسیر خود را حفظ کند، مانور دهد و در شرایط بسیار دشوار پرواز مافوق صوت مقاومت کند.
مهمترین مزیت موتور اسکرام جت توانایی حفظ پرواز مافوق صوت بدون حمل مواد اکسید کننده در مرحله کروز است. از سوی دیگر، بزرگترین چالش مهندسی آن به ایجاد یک احتراق پایدار و کنترل شده در محیطی بازمی گردد که در آن جریان هوا با سرعت مافوق صوت حرکت می کند و اجزای موتور به طور همزمان تحت فشارهای شدید حرارتی و آیرودینامیکی قرار دارند.
گفتگو در مورد این post