موتور اسکرمجت میتواند پرواز مداوم با سرعتهای بالاتر از ماخ ۵ را ممکن کند، اما ساخت آن با چالشهای مهندسی بسیار پیچیدهای همراه است.
یک موشک کروز هایپرسونیک فقط نباید برای چند لحظه به سرعت بسیار بالا برسد. چنین سامانهای باید بتواند درون جو با سرعتی دستکم پنج برابر سرعت صوت حرکت کند و در طول پرواز همچنان نیروی رانش داشته باشد. موتور اسکرمجت یکی از فناوریهایی است که برای رسیدن به این هدف توسعه یافته است.
اسکرمجت مخفف عبارت Supersonic Combustion Ramjet یا «رمجت با احتراق فراصوت» است. این موتور برخلاف بسیاری از موتورهای جت، اکسیژن مورد نیاز خود را از هوای اطراف میگیرد. حرکت بسیار سریع وسیله نیز به فشرده شدن هوای ورودی کمک میکند تا هوا برای ترکیب با سوخت آماده شود.
ایده کلی ساده به نظر میرسد، اما اجرای آن در وسیلهای که با سرعت بیش از یک مایل در ثانیه حرکت میکند، یکی از دشوارترین مسائل مهندسی پیشرانش محسوب میشود.
موتور اسکرمجت چگونه کار میکند؟
اسکرمجت برخلاف موتورهای توربوفن هواپیماهای مسافربری، برای فشردهکردن هوا از کمپرسورهای چرخان استفاده نمیکند. در عوض، طراحی ورودی هوا و سرعت بالای وسیله باعث میشوند جریان هوا فشرده و داغ شود.
هوای واردشده از طریق ورودی مخصوص به بخشهای داخلی موتور هدایت میشود. سپس سوخت، که میتواند یک هیدروکربن یا هیدروژن باشد، به جریان هوای فشرده تزریق میشود. ترکیب سوخت و هوا در محفظه احتراق میسوزد و انرژی حاصل از آن پس از عبور از نازل، نیروی رانش ایجاد میکند.
تفاوت مهم اسکرمجت با رمجت معمولی در سرعت جریان هوا داخل محفظه احتراق است. در رمجت، سرعت هوای ورودی پیش از احتراق تا محدوده زیرصوت کاهش پیدا میکند. اما در اسکرمجت، جریان هوا هنگام احتراق همچنان با سرعت فراصوت حرکت میکند.
این ویژگی باعث میشود اسکرمجت بتواند در سرعتهایی فعالیت کند که برای بسیاری از موتورهای جت معمولی مناسب نیست. البته همین مسئله یک محدودیت مهم ایجاد میکند. اسکرمجت در حالت سکون یا سرعتهای پایین نمیتواند نیروی رانش مؤثری تولید کند.
به همین دلیل، وسیله پرنده ابتدا باید با کمک یک بوستر موشکی یا سامانه دیگری شتاب بگیرد. زمانی که سرعت به محدوده مورد نیاز رسید، اسکرمجت وارد عمل میشود و وظیفه تأمین نیروی رانش را بر عهده میگیرد.
چرا اسکرمجت برای موشکهای کروز اهمیت دارد؟
موشکهای متعارف برای تولید نیروی رانش به سوخت و اکسیدکننده نیاز دارند و باید هر دو را با خود حمل کنند. اسکرمجت بخش مورد نیاز برای اکسیدکننده را از هوای جو دریافت میکند. بنابراین در مرحله کروز، نیازی به حمل مقدار زیادی اکسیدکننده جداگانه ندارد.
این ویژگی میتواند وزن کلی سامانه را کاهش دهد و فضای بیشتری برای سوخت، حسگرها یا سایر تجهیزات باقی بگذارد. مهمتر اینکه موتور میتواند در طول پرواز در جو به تولید نیروی رانش ادامه دهد.
این موضوع تفاوت مهمی میان موشک کروز هایپرسونیک و سامانههای بوستگلاید ایجاد میکند. در یک وسیله بوستگلاید، موشک ابتدا آن را به سرعت بالا میرساند و سپس وسیله بدون موتور اصلی مسیر خود را به سمت هدف ادامه میدهد. اما یک موشک کروز هایپرسونیک مجهز به موتور تنفسکننده هوا، در طول پرواز همچنان از پیشرانش استفاده میکند.
تداوم نیروی رانش میتواند امکان تغییر مسیر و انجام مانور در طول پرواز را افزایش دهد. سرعت بسیار بالا و پرواز در ارتفاع پایینتر از مسیرهای فضایی نیز میتواند زمان واکنش سامانههای دفاعی را کاهش دهد.
البته اسکرمجت کاملاً به شرایط جو وابسته است. ارتفاع، چگالی هوا و سرعت وسیله همگی روی عملکرد موتور تأثیر میگذارند. بنابراین موتور باید در محدوده مشخصی از شرایط پروازی فعالیت کند تا نیروی رانش پایدار باقی بماند.
بزرگترین چالشهای ساخت اسکرمجت چیست؟
یکی از اصلیترین مشکلات، حفظ احتراق در جریان هوایی است که با سرعت بسیار زیادی از موتور عبور میکند. گاهی این مسئله به روشن نگهداشتن کبریت در میان یک طوفان تشبیه میشود.
هوا تنها برای چند میلیثانیه در محفظه احتراق باقی میماند. در همین زمان کوتاه، سوخت باید با هوا ترکیب شود، مشتعل شود و انرژی کافی برای ادامه فرایند احتراق تولید کند.
مهندسان علاوه بر این باید امواج ضربهای و جریان هوا را بهدقت کنترل کنند. اختلال در شرایط ورودی موتور میتواند به پدیدهای موسوم به Unstart منجر شود. در چنین وضعیتی، عملکرد ورودی هوا مختل میشود و نیروی رانش میتواند بهشدت کاهش پیدا کند.
حرارت نیز مشکل بزرگی است. اصطکاک با هوا و فشردهشدن شدید جریان هوا، دمای بدنه و بخشهای داخلی موتور را بالا میبرد. در نتیجه، استفاده از مواد مقاوم در برابر حرارت، پوششهای محافظ و روشهای دقیق مدیریت دما اهمیت زیادی دارد.
حتی تغییرات کوچک در ارتفاع میتواند شرایط جریان هوا را تغییر دهد. به همین دلیل، در یک سامانه اسکرمجت نمیتوان بدنه، ورودی هوا، محفظه احتراق و نازل را اجزای کاملاً مستقل در نظر گرفت. عملکرد همه این بخشها به یکدیگر وابسته است.
آزمایش X-43A چه چیزی را ثابت کرد؟
ناسا در سال ۲۰۰۴ با وسیله تحقیقاتی بدون سرنشین X-43A یکی از مهمترین آزمایشهای اسکرمجت را انجام داد. این وسیله در یکی از پروازهای آزمایشی خود به سرعت تقریبی ماخ ۹.۶ رسید.
این آزمایش نشان داد که احتراق اسکرمجت در سرعتهای نزدیک به ۱۰ برابر سرعت صوت امکانپذیر است. X-43A همچنین رکورد سرعت یک وسیله هواتنفس را در آن زمان به ثبت رساند.
با وجود این موفقیتها، فاصله زیادی میان یک آزمایش موفق و ساخت یک سامانه عملیاتی وجود دارد. یک موشک واقعی باید بتواند موتور خود را در شرایط مناسب روشن کند، مسیرش را حفظ کند، مانور دهد و در برابر تغییرات شدید دما و فشار دوام بیاورد.
فناوری اسکرمجت در صورت توسعه موفق میتواند امکان پرواز هایپرسونیک مداوم را بدون نیاز به حمل اکسیدکننده در مرحله کروز فراهم کند. با این حال، مهمترین چالش همچنان حفظ احتراق پایدار در محیطی است که جریان هوا با سرعتی بسیار بالا از داخل موتور عبور میکند.
