أثر المناخ والغلاف الجوي أداء رامجيت

مقدمة إلى شركة رامجيت إنجينز وأجهزة الاستشعار الجوي

ومحركات الرجم هي نظم الدفع بالهواء تعمل بدون شفرات الضغط الدوارة، وتعتمد بدلا من ذلك على السرعة الأمامية للسيارة لضغط الهواء الوافد، وهذا التصميم يجعلها فعالة بشكل استثنائي في السرعة القصوى والسرعات المفرطة، ولكن أيضا تجعلها حساسة للغاية بالنسبة لممتلكات الغلاف الجوي المحيط، بخلاف محركات التربوت أو التربوفين، لا تؤدي أي محركات ميكانيكية إلى إحداث تغييرات في الإنتاج.

والمبدأ الأساسي لعملية الهرم هو مباشرة: فبسرعات عالية، يُبطأ الهواء الذي يُدخل المتناول ويُضغط من خلال سلسلة من موجات الصدمة، ويرفع ضغطه ودرجته قبل دخوله إلى غرفة الاحتراق، ويُحقن الوقود ويُهتز، ويُحدث الغازات المتزايدة من خلال الزواحف لإنتاج الدافع الجائر، وتتوقف كفاءة عملية القذف هذه على كثافة الأكسجين.

آثار على أداء رامجيت

درجة الحرارة المحيطة والكثافة الجوية

ويؤثر ارتفاع درجة الحرارة المرتفعة تأثيرا مباشرا على الكثافة الجوية من خلال القانون المثالي للغاز: فبضغط مستمر، يكون الهواء الدافئ أقل كثافة، وهذا يعني أنه في يوم حار على ارتفاع معين، فإن معدل تدفق الهواء إلى المحرك أقل من يوم بارد، وأن انخفاض التدفق الجماعي قد يقلل من كمية الأكسجين المتاحة للاحتراق، مما يؤدي إلى انخفاض في الارتفاع، وفي المقابل، يزيد الناتج عن ارتفاعه بنسبة 40 إلى 15.

ويتجلى أثر الحرارة بدرجة أكبر خلال مرحلة التعجيل الأولية، حيث لا تزال المركبة في مستويات منخفضة نسبياً من السرعة والارتفاعات، ومع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة بالمركبات، مع ارتفاعها (في الغلاف الجوي)، مما يعوض جزئياً عن انخفاض الضغط، ومع ذلك، فإن درجات الحرارة في ارتفاع مرتفع جداً، تصبح أكثر تعقيداً، ولا سيما في طبقة الستراتوسفير حيث تظل درجة الحرارة في البداية ثابتة ثم تزداد درجة الحرارة.

مخاطر الارتداد والطفح الجلدي

كما أن تغيرات الحرارة تؤثر على ديناميات الاحتراق داخل الهرم، إذ إن سرعة اللهب وتأخر الإشعال في وقود الهيدروكربون تعتمد على درجة الحرارة، وقد تؤدي درجات الحرارة المحيطة باللوقود إلى تأخيرات أطول في الإشعال، مما قد يتسبب في عدم استقرار عدم استقرار اللهب أو حتى في حالة عدم تعديل توقيت حقن الوقود تبعا لذلك، وفي البيئات الساخنة، يمكن أن تؤدي درجات الحرارة العالية قبل الاحتراق إلى زيادة التكيبات على المواد غير المحتوية.

الإدارة الحرارية والنظر في المواد

كما أن المتطرفات المتطرفة للمحرك تؤثر على السلامة الهيكلية، ويجب أن تصمد عناصر الأطقم والمحركات لا في درجة الحرارة المحيطة فحسب، بل أيضاً في التدفئة الهوائية التي تولدها الرحلة العالية السرعة، وفي المدفع ٤ وما فوقها، يمكن أن تتجاوز درجات حرارة الجلد ٠٠٠ ١ درجة مئوية، وقد يكون مسار التدفق الداخلي أكثر حرارة.

الهضمية وتأثيرها في عملية رامجيت

آثار خام المياه على الكم

ويدخل الرطوبة بخار الماء إلى هواء الاستيعاب، الذي له تأثير مزدوج على أداء الهرم، أولا، يزيل بخار الماء جزيئات الأكسجين، ويخفض نسبة الطفح الأوكسجين في الهواء، ويقلل من معدل الحرق الطبيعي الذي يضغط عليه جزئيا بخار الماء بنسبة 20 في المائة، ويقلل من نسبة الارتداد إلى درجة الحرارة العالية، بينما يبدو ذلك صغيرا، عند ارتفاع معدلات التدفق الجماعي من الأهرام.

Condensation and Ice Formation at Altitude

وعلى ارتفاعات عالية، حيث يمكن أن تنخفض درجات الحرارة إلى أدنى من 50 درجة مئوية، يمكن أن تتلاشى بخار الماء في الهواء المتحصل أو حتى تتجمد، وتتكون من بلورات جليدية، ويمكن أن يؤدي تراكم الجليد على الجدران المتحصلة أو على حقن الوقود إلى تعطيل تدفق الهواء، ويتسبب في حدوث تشنج غير ثابت، وفي حالات شديدة تؤدي إلى توقف في المحرك، كما أن نظم مكافحة التكثيف الهوائي تتحول إلى عوامل مقاومة للكهرباء.

التصويب والقابلية للثقة

كما أن الحركة في الهواء تسهم في تآكل مكونات المحرك الداخلي، ولا سيما حجرة الاحتراق والألم، ويفاقم الهواء في البيئات البحرية من هذا الموضوع، ويحتاج الرمادي المستخدم في القذائف البحرية أو تطبيقات حرق السفن إلى طلاءات ومواد مقاومة للتآكل، مثل الإكونيل أو الخزف في معاطف الحاجز الحراري.

الضغط الجوي وآثار الارتفاع

تأثير الضغط على الضغط

ويقل الضغط الجوي ارتفاعا كبيرا، إذ إن الضغط الذي تحقق في المتناول يتناسب مع الضغط الدينامي للهواء القادم، الذي يتوقف على كثافة الهواء وسرعة كل منهما، ويقلل من كثافة الهواء، وحتى في نفس رقم الماتش، فإن انخفاض الضغط الحاد يؤدي إلى انخفاض نسبة الضغط على الهواء، مما يعني أن انخفاض الناتج من حيث سرعة الضغط أقل.

غير أن الأهرامات مصممة للعمل على أعلى مستويات حيث تكون جر المركبة أقل أيضا، والنتيجة الصافية هي أن الارتفاع الأمثل للنطاق الأقصى هو المبادلات بين الدافع والسحب، وبالنسبة لصاروخ خارق نموذجي، فإن الارتفاع الطياري قد يتراوح بين 20 و 30 كيلومترا، حيث يقلل الهواء الخفيف من الجر بما يكفي ليوفر ضغطا كافيا.

تحديات مرحلة الإطلاق والتسارع

وأثناء عملية الإطلاق، تكون المركبة في ارتفاع منخفض حيث يكون الضغط مرتفعاً، ولكن السرعة منخفضة، ولا يمكن للرمجيت أن يولد زخماً ثابتاً؛ فهي تعتمد على السرعة الأمامية لضغط الهواء، ولذلك فإن المعزز يستخدم عادة للتعجيل بالسيارة إلى سرعة يمكن أن يتغلب عليها الهرم (عادة ما يكون عند ماك 2-3)، وتتسبب الظروف الجوية في فقدان نقطة الإطلاق، مثل ارتفاع درجة الحرارة أو ارتفاع مستوى تأثيرات الازدحاملة.

الضغـط والفرط غير المنظورة

ويمكن أن تتسبب نظم الطقس الرطبة )الواجهات العالية والخفيفة( في انحرافات كبيرة عن النموذج الجوي الموحد، كما أن وجود نظام منخفض الضغط على ارتفاع معين يقلل من كثافة الهواء، ويحتمل أن يزيد من حدة الهرم إلى ما يتجاوز حدود القدرة على العمل، وبالمثل، فإن الريح القوية يمكن أن تغير رقم الماتش الفعال وزاوية الهجوم، مما يؤثر على هيكل الصدمة في الغلاف الجوي البعيد، ويعوض عن نظم التوجيه في مجال المناخ.

الرياح، و(توربولنس) و(شير لايرز)

الاختراقات والاختطافات

ويمكن أن تؤدي التداخلات القوية إلى تدفق غير متماثل إلى المتناول، مما يؤدي إلى تشويه الأداء المشابه للضغط (حتى وإن لم يكن هناك نصلات) وقد تصبح موجات الصدمة داخل المتناول غير ثابتة، مما يتسبب في تقلبات في الضغط التي تتحول إلى متغيرات الحرق، مما قد يؤدي إلى عدم الاستقرار في الاحتراق، أو زيادة الجر، أو حتى إلى ظاهرة الارتباك غير المفاجئ، حيث تُطرد الصدمة الطبيعية من المتغيرات.

الترسب الجوي واللوائج الهيكلية

كما أن التقلبات، وإن كانت أكثر قلقاً بالنسبة لهياكل الطائرات، يمكن أن تؤثر أيضاً على تشغيل الهرم بإحداث تغيرات سريعة في الضغط الدينامي، وقد تؤدي هذه التقلبات إلى سطو نظام مراقبة الوقود، مما يؤدي إلى إنتاج التدفقات السطحية، والتسارع شديد في الغلاف الجوي الأدنى، وأقل من 10 كيلومترات، وكثيراً ما يتجنبها التسلق بسرعة عبر هذه الطبقات.

Wind Shear and Maneuvering

فتغير مفاجئ في سرعة الرياح أو اتجاهها على مسافة عمودية قصيرة يمكن أن يغير زاوية الهجوم والضغط الدينامي للسيارة، وإذا ما حدث له تمزق حاد في الضغط الدينامي بسبب قذيفة ذيل، فإن المتناول قد لا يلتقط الهواء الكافي، مما قد يسبب له حرقا، ويحافظ على المناورات أثناء التحليق السريع في ظروف مضطربة، ويفرض بعض المطالب الإضافية على نظام القذف المتطور.

التمهيد والجسيمات

ابتلاع المطر والحياة

فالطيران عبر المطر أو الهش يُدخل المياه السائلة أو الجسيمات الجليدية إلى المتناول، وفي حين لا توجد في الأنهار أي شفرات تناوبية للتآكل، فإن قطرات المياه يمكن أن تعطل هياكل الصدمات، وأن تُمتص الحرارة في المحرقة، وأن تسبب التحلل الحراري للشعلة، وفي الحالات الشديدة، يمكن أن تلحق الأحجار الكبيرة أضرارا مادية بالشفاهة أو أجهزة الإغراق.

الرمال، الدست، وفولكان

إن عمليات إزالة الأحراج أو الرحلات الجوية عبر غيوم الرماد البركاني تمثل تحديا مختلفا: تآكل الجسيمات الصلبة، إذ يمكن أن تؤدي الجسيمات الرملية والغبارية التي تنقل في الهواء إلى تآكل الجدران المتحصلة، وخزانات الاحتراق، وحنجرة النسيج، وقد تؤدي التأثيرات العالية السرعة إلى تعجيل إزالة المواد، والحد من حياة المحرك، وتغيير قياس التدفق الجغرافي.

الشروط الآتيـة

ويحدث التسرع عندما تتجمد قطرات المياه السائلة فوق الكسور عند الاتصال بالسطح، وفي حين أن الأهرامات تولد حرارة كبيرة بمجرد تشغيلها، فإن مرحلة التسارع الأولية من خلال السحب الصاعقة يمكن أن تسبب تراكم الجليد على الشفاه والبنى الداخلية، ويغير تراكم الجليد كمية المقياس الجغرافي للمقبل ويمكن أن يحجب الحقن.

التكيف مع الظروف المناخية المتغيرة

نظم الحيازة الإيجابية

ومن أجل مواجهة مجموعة واسعة من درجات الحرارة المحيطة والضغوط والكثافة، فإن العديد من الأهرامات المتقدمة تتضمن قياسات مكيفة للمستقبِل، وتشمل هذه المصابيح المتغيرة، والارتفاعات المتحركة، ومناطق الحلق القابلة للتعديل، ويمكن للمحرك أن يحافظ على هيكل الصدمة الصحيح ونسبة الضغط على الارتفاعات العالية بغض النظر عن ظروف الهواء الوافدة.

تصميم دائرة حقن الوقود ومراقبته

وتسمح نظم حقن الوقود المتغيرة للمحرك بتعديل نسبة الوقود إلى مطابقة الأكسجين المتاح، وفي ظروف منخفضة الكثافة، لا يلزم توفير الوقود الكافي للحفاظ على الاحتراق في الأشعة السيكولوجية؛ كما أن الكثير من الوقود سيتسبب في انفجار وهدر الوقود، كما أن أجهزة التحكم في المحرك الرقمي الحديثة (استنادا إلى الإعلان) تستكمل بقوائم حرائق الغلاف الجوي لضبط تدفق الوقود وحرقه.

المواد والحماية الحرارية

وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون اختيار المواد هو المتطرف المحيطي وحرارة الاحتراق، أما بالنسبة لبيئة التقلبات العالية، فلا بد أن يكون المحرك قادراً على البدء والعمل دون كسر في المطاط، إذ أن النظام الساخن والفوق الصوتي، يجب أن تحتفظ المواد بالقوة وتقاوم التكسين.

النماذج والاختبارات الحاسوبية

النماذج والتحكيم في الغلاف الجوي

يستخدم المهندسون نماذج قياسية في الغلاف الجوي (مثل الغلاف الجوي الموحد للولايات المتحدة لعام 1976) كخطوط أساس، ولكنهم يدمجون أيضا بيانات الطقس في العالم الحقيقي لتحفيز ملامح محددة للبعثات، كما أن مدونات السائل الحاسوبي التي يمكن أن تحاكي تدفق الاستيعاب وحده بدرجات حرارة متفاوتة، ورطوبة، وظروف حد الضغط، وتساعد هذه المحاكاة على التنبؤ بهمشات الأداء، ومع ذلك.

اختبار الطيران والرصد البيئي

وكل اختبار للرحلات لسجلات المركبات ذات الطاقة الهرمية في الغلاف الجوي باستخدام أجهزة الاستشعار على متن السفن (أجهزة الاختبار بالأشعة، أجهزة استشعار درجة الحرارة، أجهزة الاستشعار الرطوبة) وهذه البيانات ترتبط بمقاييس أداء المحرك لتنقيح النماذج، وبالنسبة لبعثات التحمل الطويلة، فإن بعض المركبات تحمل أجهزة لاسلكية أو تحديثات جوية ساتلية لتوقع الظروف المقبلة.

Future Directions: Climate Change and Hypersonic Operations

وتغير المناخ يغيّر الأنماط الجوية الطويلة الأجل، إذ إن ارتفاع متوسط درجات الحرارة، وتغيّر مسارات الطائرات، وزيادة تواتر الأحداث الجوية الشديدة قد يؤثر على المظاريف التشغيلية للنظم التي تعمل في المستقبل على توليد الهرم، وعلى سبيل المثال، فإن طبقة التروبوسفير الحرارية تخفض كثافة الهواء على ارتفاع معين، مما قد يقلل من الحد الأقصى الفعال لبعض تصميمات الهامش الهرم.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن دفع المركبات المفرطة التي يمكن استخدامها إلى جانب المركبات التي يجري تطويرها لمفاهيم المرشدين الفضائيين التجاريين - يتطلب وجود هياكل يمكن أن تعمل بشكل موثوق به على العديد من الرحلات الجوية عبر مختلف المناخات، وهذا يتطلب مواد قوية ونظماً للتحكم في التكيف وإجراءات صيانة تشكل أضراراً بيئية متراكمة، وقد تساعد التطورات في المواد الذكية مثل السبيكة التي تعدل الأحواض الجيولوجية ذاتياب.

وفي الختام، فإن الظروف المناخية والغلافية ليست اعتبارات ثانوية في تصميم الهرم - فهي عوامل رئيسية للأداء والموثوقية والسلامة، ومن الهواء البارد والنحيف من الغلاف الجوي الممتد إلى الهواء الساخن والرطب لموقع الإطلاق المداري، يجب حساب كل متغير جوي في الغلاف الجوي، ومن خلال التكييفات المتطورة، والاختبارات الواسعة النطاق، ومراقبة الزمن الحقيقي، يواصل المهندسون دفع الحدود التي تكفلها على نحو فعال.

For further reading on ramjet fundamentals and atmospheric effects, see NASA’s ramjet the theory page, a research paper on humidity effects in scramjets, and an overview of hypersonic propulT: