Ramjets في سياق القابلية للإحالة مركبات الإطلاق والطائرات الفضائية

مقدمة: دور رامجيتس في الوصول إلى الفضاء الحديث

ويُعد السعي إلى الوصول إلى الفضاء بتكلفة منخفضة وموثوقة مهندسين مدفوعين لاستكشاف طائفة واسعة من تكنولوجيات الدفع، ومن بين هذه التكنولوجيات، يحتل الأهرامات مكانا فريدا: فهي محركات تعمل بكفاءة في مجال النقل الجوي والسرعة المفرطة، وتُتيح جسرا محتملا بين الملامح التقليدية للتركات ومحركات الصواريخ النقية، وفي سياق القيود على مركبات الإطلاق القابلة للتداول (RLVsramets) والخزائنة الفضائية.

كيف يُدير (راميتس)

وفي قلبها، فإن الهرم هو نوع من محرك الطائرات الذي يحقق الضغط ليس من خلال آلية التناوب بل من خلال تباطؤ الهواء الوافد عالي السرعة، حيث تطير المركبة بسرعة أسرع من ماش 2، يصطدم الحركة الأمامية بالجو في المحركات، ويرفع ضغطها ودرجتها، ويدخل هذا الهواء المضغوط غرفة الاحتراق حيث يرتفع الوقود ويحترق.

ونظرا لأن الهرامات ليس لها ضغط أو توربين، فهي بسيطة ميكانيكيا، ووزن خفيف، وقادرة على السرعة القصوى، إلا أنها لا تستطيع توليد دفعة ثابتة - يجب أن تتحرك بالفعل بسرعة خارقة قبل أن يعمل المحرك، وهذه السمة الأساسية تشكل كل قرار تصميمي للمركبات التي تعمل بالهرمجيت.

العملية المختلطة ضد الأشخاص

وتُستخدم المحركات التقليدية في عمليات الاحتراق دون الصوتي: فالتدفق الجوي يُبطأ إلى ماتش 0.3-6 داخل المحرك قبل إضافة الوقود وتهجيره، وهذا يؤدي إلى سرعة نحو 5، وفوق ذلك، فإن التباطؤ اللازم للحفاظ على تدفق دونسون يؤدي إلى ارتفاع مفرط في الجرعة وارتفاع درجة الحرارة.

مقاييس الأداء النموذجية

وتقدم شركة Ramjets قيما محددة للاندفاع في مدى ٤٠٠٠-٦٠٠٠ ثانية على مستوى البحر بالنسبة لوقود الهيدروجين، إذ تتناقص إلى حوالي ٠٠٠ ٢-٣٠٠٠ ثانية مع ارتفاعات، وهذه الأرقام تضاعف تقريبا من محرك صاروخي ذي أداء عال، الذي يحقق عادة ما يتراوح بين ٣٠٠ و٤٥٠ ثانية في الفراغ، والصيد هو أن الأهرامات المكملة لا تعمل إلا في إطار ممرات سريعة معينة، عادة بين الوصل ٢ و٥٤ كم و٥ كم.

مزايا مركبات الإطلاق القابلة للاستعمال والطائرات الفضائية

الكتلة من خلال التثبيت الجوي

وفي صاروخ تقليدي، يشكل الأوكسيديزر )الأوكسجين السائل عادة( أغلبية الكتلة الدافعة، فعلى سبيل المثال، تبلغ المرحلة الأولى من الفالكون ٩ نحو ٥٧ في المائة من كتلة الوقود الدافعة التي تستخدمها كتلة السائلة LOX، وباستخدام الأوكسجين الجوي خلال المرحلة الأولى من الارتفاع، يمكن لمحرك الصنع الجوي أن يقلل بدرجة كبيرة من مجموع الحمولة الدفعية.

عمليات النقل والتأشيرات

ويمكن تصميم طائرات فضائية تعمل بالرمجيت من أجل الإقلاع الأفقي والهبوط باستخدام ممرات إطلاق بدلا من مواصفات إطلاق باهظة الثمن، وهذا يتوافق بطبيعة الحال مع النموذج التشغيلي للطائرات التجارية، مما يتيح سرعة التحول بين الرحلات الجوية، ويؤدي إلى خفض الاحتياجات من الصيانة وإحصاءات جزئية، مما يزيد من تحسين تكلفة دورة الحياة.

المرونة في المسار

ونظرا لأن الأهرامج توفر دفعا مستمرا على نطاق واسع من الآلات، فإنها تتيح للمركبات أن تتبع مسارات ضحلة أكثر كفاءة من حيث التركيز، وبدلا من الخسائر الجاذبية الشديدة التي تتعرض لها صواريخ الإطلاق الرأسية، يمكن للطائرة التي تعمل بالهرام أن تبني الطاقة المدارية تدريجيا، مما يتيح لمخططي البعثات مزيدا من المرونة في المدارات المتجهة وفي السيناريوهات المحتملة للإجهاض.

التحديات والحدود التقنية الرئيسية

وعلى الرغم من نداءهم، فإن هذه العقبات تشكل عقبات هائلة تحول دون خدمتهم في مراكز العمليات الميدانية، وهذه التحديات أساسية وعملية على حد سواء.

عدم الفعالية المنخفضة السرعة

ولا تنتج شركة رامييتس أي دفعة بالسرعة المنخفضة، إذ يجب الإسراع في المركبة إلى ماتش ٢-٣ عن طريق نظام آخر للدفع - وهو عادة جهاز للضغط على الصواريخ أو الدفع الخارجي، مما يعجل الكتلة الإجمالية للمركبات ويعقد هيكل الدفع، ويزيد من تعقيدات نهج " الدراجة المشتركة " (مثلا، المحاولات الهندسية المتعددة القائمة على التربو - الهرمية أو الصاروخية إلى دورة واحدة مجتمعة، محركة، RBC).

تصميم ودراج

وفي سرعة ضغط الدم، يجب أن يُدار المتناول الجوي بدقة موجات الصدمات لالتقاط تدفق جوي كاف مع التقليل إلى أدنى حد من جر التسرب، وقد يؤدي المركب الخامس أداءً سيئاً في ماتش 2، والعكس بالعكس، ويمكن استخدام كميات كبيرة من الجراثيم (مثلاً، السدود المتحركة أو المسامير) ولكن يزيد وزنه وخطره بالفشل الميكانيكي.

الإدارة الحرارية

ودرجة الحرارة في الركود عند المركب 5 تتجاوز 1000 درجة مئوية، وفي المتش 8 تصل إلى 2000 درجة مئوية. ويمكن أن تتجاوز درجات الحرارة التراكمية داخل المحرك 3000 درجة مئوية. وبدون التبريد النشط، فإن أي هيكل معدني سيذوب أو يُثبّت بشكل كارثي.() كما أن من الضروري توفير الحماية الكاملة لسائق التنظيف المقاوم للدروع باستخدام الوقود.

Altitude Ceiling

ويعتمد الرجم على الأكسجين الجوي، ويصبح الهواء على ارتفاعات تزيد على ٣٥-٤٠ كيلومتراً، أقل من أن يحافظ على الاحتراق الفعال، ولكي يصل إلى المدار، يجب أن ينتقل الهرم إلى محرك صاروخي، مما يضيف نظاماً ثانياً للدفع، وهذا الانتقال، المعروف باسم " تغيير الحركة " ، هو مناورة معقدة يجب أن تحدث في ضغط دينامي مرتفع، وتتطلب في كثير من الأحيان إدارة دقيقة للوقود ومراقبة المركبات.

طائرات فضائية تاريخية ومفهومية

وقد رسم المهندسون مخططات للطائرات الفضائية الهرمية منذ الخمسينات، وفي حين أن عددا قليلا منها قد زهر، فإن العديد من الدراسات والنماذج المؤثرة قد مهدت الطريق للبحث الحالي.

اختبارات الـ "إكس-15" و "إيرل رامجيت"

وقد حققت طائرة التجارب من طراز X-15 التابعة لشمال أمريكا، وهي طائرة تجريبية تعمل بالصواريخ في الستينات، ماك 6-7، مما يدل على استمرارية التحليق فوق الصوتي، وفي الوقت نفسه، قام الجيش الأمريكي باختبار الصواريخ X-7 و X-10 مع دفع الهرم، وصولا إلى سرعة مماثلة، وقد تحققت هذه الرحلات من التكنولوجيات الرئيسية مثل السكك الحديدية العالية الحرارة والدروع الحرارية وغرف التشنج البسيطة.

The LACE and SABRE Concepts

وفي الثمانينات، بدأت شركة " سيتي " البريطانية " في تطوير مفهوم " سيكيلون " الفضائي، الذي يستخدم " مهندس روكيت " (SABRE) في شركة " سابر " ، وهو ليس هرميا نقيا، بل هو تربوغائي مجهز سلفا يضغط الهواء بعد تبريده إلى درجات حرارة مسببة للبرد.

GTX وCycle Cobined-Cycle Research

وقد درس مركز بحوث غلين التابع للناسا مفهوم GTX (Glenn Thruster Experiment) وهو مفهوم، وهو محرك مركب مركب من طراز Rramjet-scramjet إلى مركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام، ويستخدم تصميم GTX جهازا مركزيا للصواريخ يُسحب داخل قناة هرمية منفردة، وقد أظهرت حرائق الصواريخ، خلال الدفع الأولي، لتسريع سرعة تشغيل محرك محطة ماكوفر.

الدراسات الصينية واليابانية الأخيرة

وقد أفادت التقارير أن برامج الطائرات الفضائية الصينية، بما فيها مشروع تينغيون، تنطوي على دفعات من طراز " هرميت " إلى طائرة فضائية أفقية للإقلاع، كما عملت المنظمات اليابانية مثل " جاكسا " على محرك " آر - تروبي رامجيت " ، الذي يجمع بين نهاية " توربوجيت " وجهاز " هرمجيت " ، وتشير هذه البرامج إلى استمرار الاهتمام العالمي في الهواء " .

المواد وتكنولوجيات التبريد

ولا يمكن استخدام أي راتب ذي قدرة هرمية بدون مواد يمكن أن تنجو من حمولات حرارية وميكانيكية شديدة، كما أن التقدم المحرز مؤخراً يتيح تصميمات مستحيلة في السابق.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

وتستخدم مركبات الكربون والسيليكون الكربوزي في ممر الأنف، والزواحف الرئيسية، وخواطر الاحتراق.() وتحتفظ لجنة التنسيق المعنية بالمركبات بقوام في درجات الحرارة فوق درجة حرارة 2000oس وأقل وزنا بكثير من السواحل الخارقة، فمثلاً تستخدم مركبات الكربون من طراز NASA X-43A، ويجري تكييف مركبات الكربون المحتوية على مركبات الكربون المشبع بالفلورية الحديثة مع مقاومة الأكسدة ويمكن أن تُكَن.

تجديد وتبريد الأفلام

ويمكن توزيع وقود الهيدروجين، الذي يتسم بارتفاع حرارته وقلة التألق، عن طريق قنوات التبريد في جدران المحركات قبل أن يُحقن في غرفة الاحتراق، وتستخدم هذه الطريقة التجددية للتبريد في محركات الصواريخ ويمكن تكييفها مع الأهرامات، وبالإضافة إلى ذلك، فإن التبريد بالأفلام - حقن طبقة رقيقة من الوقود البارد على طول الجدار - يقلل من نقل الحرارة في المناطق الأشد.

مبادلات حرارية للفحص

بالنسبة لمحركات مثل الـ (سبير) فإن الهواء الطلق المُبديل للحرارة الخفيفة من 1000 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية قبل الضغط، وهذا يحسن بشكل كبير كفاءة الضغط ويتيح للطين المضغوط أن يعمل في ظروف تذوبه عادة، وقد كان تطوير مناطق عالية السطح، ومبادلات الحرارة ذات الجدران الرقيقة، إنجازاً هائلاً، رغم أن قدرتها على البقاء في الحطام.

تكامل نظم الإنتاج

إن التحدي المتمثل في إدماج المهاجمين في نظام RLV لا يقتصر على عمل المحرك - بل يُنشئ عملية انتقال سلسة بين أساليب الدفع المتعددة.

Dual-Mode Ramjet-Scramjet

ويمكن أن يعمل أحد التدفقات كهرم (احتراق فرعي) بالسرعة الدنيا والغطاء (إشعال شخصي) بسرعة أعلى، ويتحقق الانتقال بنقل موقع حقن الوقود واختلاف منطقة الحلق، وقد أظهرت عدة اختبارات للنفق الريحي تحولاً في هذه الطريقة دون إطفاء اللهب.

دورة مجمعة من طراز روكيت - باسيكل

وقد تمخضت محركات شركة RBCC عن قذف صاروخي داخل قناة هرمية، ويوفر الصاروخ دفعاً لتسارع منخفض السرعة، ثم يقوم بدور القذف لزيادة الضغط الهرمي، ويستغرق الصاروخ على ارتفاعات عالية كامل، وهذه الميزة محرك واحد يغطي كامل النطاق السريع، ولكن الجانب السلبي غير فعال في كل طريقة مقارنة بالتصميمات المخصصة.

تجمعات توربو - رامجيت

فبعض المفاهيم، مثل " بيتني J58 " المستخدم في التصويب المغناطيسي - 71، تستخدم تربوي يتخطى الهواء حول قلبه ليعمل كهرمجيه سريع للغاية، وبالنسبة للطائرات الفضائية، يمكن لهذه الهجينة أن تمتد نطاق السرعة إلى ماتش 3، ولكن الوزن والتعقيد ما زالا مرتفعين، وتركز التطورات الحديثة على محركات الدراجات المتغيرة التي تعيد تشكيل تدفقها الجوي الداخلي.

الاعتبارات الاقتصادية والتشغيلية

وكثيرا ما تُصاغ المركبات البرية المصفحة التي تعمل بالرمجيت على شكل طريق للوصول إلى الفضاء " على شكل خطوط جوية " ، غير أنه يجب دراسة اقتصاديات العالم الحقيقي بعناية.

تكاليف الهياكل الأساسية

إن الإقلاع عن طريق المجرى التقليدي أمر جذاب، ولكن المركبات نفسها تحتاج إلى صنادل متخصصة، ومخازن للوقود (هيدروجين السائل)، ومسارات قادرة على تحمل حمولات حرارية وصوتية عالية، فعلى سبيل المثال، سيحتاج سكيلونز إلى ممر طوله 3.5 كيلومترا على الأقل مع مرافق معالجة الوقود المبرد، ويمكن أن يقابل هذا الاستثمار بعدم الحاجة إلى أبراج الإطلاق وخراط اللهب،

Fraction and Reusability

وفي حين أن الهواء ينقذ الكتلة الميسرة، فإن الوزن الإضافي للأجنحة، والمقبوضات، والحماية الحرارية، ومحركات الدورة المشتركة كثيرا ما تؤدي إلى انخفاض حجم الحمولة من الصاروخ القابل للاستهلاك، وبالنسبة لنظام ذي مرحلتين إلى المدار، فإن المراحل الأولى من التفريغ المزود بالطاقة الحرارية قد تؤدي إلى كسر في الحمولة بنسبة تتراوح بين 2 و4 في المائة، وهو ما يعادل الصواريخ ذات الدفع العمودي مثل Fal.

بياني الطلب على الأسواق والبعثات

وتهيمن على سوق الإطلاق الحالية صواريخ الدفع الرأسي، ومن المرجح أن تستهدف طائرة الإطلاق الفضائية البعثات المتخصصة: مقتنيات السواتل الصغيرة، أو نقل الأطقم إلى مدار أرضي منخفض، أو السفر من نقطة إلى نقطة فائقة الخطورة، ولا يزال سوق هذه الخدمات آخذا في الظهور، ويجب تبرير الاستثمار الكبير من أجل التنمية المستدامة (ببلايين الدولارات) بالطلب في المستقبل.

Recent Progress and Test Programs

وفي العقد الماضي، تحققت عدة معالم هامة، مما يبقي تكنولوجيا الترامجيت RLV على قيد الحياة.

متظاهرة " سابر "

وفي عام 2019، أكملت شركة Reaction Engines اختباراً رئيسياً لمفترس SABRE، الذي أثبت القدرة على تبريد مجرى جوي محاكاة يبلغ 1000 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية في غضون ملي الثانية، كما قامت الشركة ببناء متظاهر أساسي كامل النطاق للمحركات في كولورادو، وفي حين أن شركة SABRE ليست هرما نقيا، فقد أعاد نجاحها إلى تنشيط الاهتمام بتركيب الدراجات الجوية مجتمعة.

DART AE and Other startups

وتقوم عدة مبتدئين، بما في ذلك شركة هايبيكس الأسترالية وشركة فينس الجوية في الولايات المتحدة، بتطوير طائرات بدون طيار تعمل بالهيدروجين تعمل بالهيدروجين، وتضع في نهاية المطاف مفاهيم للطائرات الفضائية، وشركة هيبريكس للاختبارات الصغيرة التي يمكن إعادة استخدامها والتي تهدف إلى إظهار طائرة ماتش 5 باستخدام الهيدروجين الأخضر.

النماذج الأولية للطائرات الفضائية الصينية

وقد أفادت التقارير بأن الصين قد أجرت اختباراً لطائرة فرعية قادرة على استخدام مركبة من طراز Mach 5+ باستخدام مخروط، وتشير هذه الاختبارات، وإن لم تكن عامة تماماً، إلى أن الصين تعتبر أن الدفع الهرمي يشكل أولوية للوصول إلى الفضاء الذي يمكن إعادة استخدامه في المستقبل، وأن مشروع تينغيون، الذي كشف في عام 2021، يهدف إلى تحقيق ماتش 7+ بمحرك دورة مدمجة.

المستقبل: هل سيُحدث ثورة في الوصول إلى الفضاء؟

والوعد الذي قطعته على نفسها المركبات البرية المصفحة هو أمر ملح، ولكن الطريق إلى النظم التشغيلية ما زال طويلا وغير مؤكد، ومن الواقعي بدرجة أكبر توقع أن تُستخدم الأهرامات أولا في القذائف التسيارية العابرة للصوتين والطائرات الاستطلاعية التي تكون فيها ميزات سرعة ونطاقها قيمة على الفور، وفي مجال الإطلاق الفضائي، يمكن أن تظهر المراحل الأولى التي تعمل بالهيكلات المرنة كجزء من مركبات قابلة لإعادة استخدامها في غضون فترة 15 إلى 20 سنة القادمة.

وتواجه مفاهيم الطائرات الفضائية مثل تنافس سكايلون على الصواريخ العمودية البرية مثل ستارسيب، التي تحقق بالفعل إعادة الاستخدام الكاملة وقطع الحمولة العالية دون تعقيد محركات التهوية، غير أن الفيزياء الأساسية للدفع بالهواء هي على جانب الأهرامات: فاستعمال الأوكسيدزر الحر هو دائما أكثر كفاءة.

خاتمة

فالرمجيتس لا توفر مساراً متقناً نحو نقل فضائي أقل تكلفة ومرن ويمكن إعادة استخدامه، بينما لا تزال هناك حاجة كبيرة إلى وجود اندفاع محدد لها، ورسم ميكانيكي بسيط، وتوافق مع العمليات الأفقية، مما يجعلها مناسبة للمركبات البرية والمركبات الفضائية، ومع ذلك فإن تحديات الأداء المنخفض السرعة والمتطرفات الحرارية والتحول إلى أنماط الانتقال، وهي تحدّيات كبيرة في البحث المستمر في المواد ومحركات الاصطدامة، والحواجز المتطورة.

External References[FLT:][FLT:] [FLT:] [FLT:]