دليل شامل لمكونات رامجيت والمهندسة

التعريف بتصميم وتشغيل مهندسي رمجيت

إن محرك الهرم هو أحد أكثر الأمثلة وضوحا على هندسة الدفع، إذ يعتمد على مبدأ الضغط الدينامي وليس على الشاحنات الميكانيكية، فبخلاف محركات التربوت أو التربفان، لا يمكن أن يؤدي الهرم أجزاء من الارتطام مثل الرافدات أو التربينات المؤقتة، مما يجعله أكثر موثوقية وفعالية من حيث التكلفة بالنسبة لجيلات محددة من الصواريخ العالية.

العناصر الرئيسية لمهندس رمجيت

ويتألف الهرم من أربعة نظم فرعية رئيسية: المنفذ (الذي كثيرا ما يسمى بالنشر)، وغرفة الاحتراق، والنور، ونظام تسليم الوقود، ويجب تصميم كل عنصر بعناية للعمل معا في مجموعة من ظروف الطيران الساطع.

The Inlet (Diffuser)

وينطوي هذا الكم من الرؤوس على أن يُعدل الطاقة الحركية في مركب هرم، وأن يكون الغرض من ذلك هو استخلاص الهواء الفوق الصوتي الحر، وتسريعه دونيا، وتحويل الطاقة الحركية إلى ارتفاع في الضغط، وهذه العملية، المعروفة باسم " التهاب الصدمة " ، هي الشكل المتغير للصدمة 8217؛ والوسائل الرئيسية لزيادة الضغط دون ضغط آلي.

ويقيّم الأداء كمياً بمعامل استعادة الضغط الذي يقيّم مقدار الضغط الذي يُحتفَظ بعد التباطؤ، كما أن ارتفاع الضغط ضروري لتحقيق الاحتراق والإنتاج الدافعي بكفاءة، وفي سرعة سطحية منخفضة، قد تكفي صدمة عادية واحدة، ولكن في ارتفاع عدد الماشية (فوق ماك 3) وتُحدّد الصدمات المتعددة البُلِّة التي تُتَّبع نتيجة لضعف الصدمة الطبيعية التي تُحدِّد تأثيراً أعلى على التدفقات.

دائرة التعبئة

وبعد أن يُضغط الهواء ويُبطأ إلى سرعة تحت الصوت، يدخل إلى غرفة الاحتراق حيث يُحقن الوقود ويُحرق، ويجب أن تكون عملية الاحتراق مستقرة وكفؤة ومستمرة على الرغم من ارتفاع سرعة تدفق الغاز، وخلافاً لما يحدث من تمزق في الغازات، حيث يحدث الاحتراق عند ضغط شبه ثابت بسبب انخفاض طفيف في الحرارة وضغط على طول خط الترميم.

وتحقن الغازات الوقودية من خلال المصابيح أو حقن الوقود التي تدمجها في قطرات جيدة للخلط السريع مع الهواء الوافد، وتشمل أنواع الوقود المشتركة الهيدروكربونات التي تستخدم الحرق (JP-5، JP-10) للصدمات المنخفضة السرعة، وكمية الهيدروجين أو الميثان للتصميمات العالية السرعة والتجربة(12).

"النورغل"

وتخرج منتجات الاحتراق الساخنة العالية الضغط من خلال زهرة، مما يعجلها إلى السرعة الخارقة لتوليد الدافع، وبالنسبة لجهاز الهرمي، فإن الأوزة تكاد تكون دائما من نوع الوريث المتناغم، وفي القسم المختلط، يتسارع التدفق شبه الصوتي إلى ماتش 1 عند الحلق؛ وفي الجزء المختلف من الحلق يتسارع إلى التجاوزات.

ويجب أن يكون تصميم الأزياء هو السبب في توسيع غازات العادم إلى الضغط المحيطي، حيث يؤدي التناقص أو الإفراط في الازدحام إلى الحد من التدفق ويمكن أن يسبب عدم استقرار التدفق، فمعظم الأزهار المهتزنة ثابتة لأن المحرك يعمل على نطاق محدود من الارتفاعات والسرعة، ولكن تستخدم الأنابيب المتغيرة أحيانا في تصميمات أكثر تقدما، كما أن الأزهار تعالج الحمولة الحرارية؛

نظام الوقود وتسليم المواد

ويجب أن يوصل نظام الوقود تدفقا ثابتا من الوقود إلى الحقنات عند الضغط المناسب ودرجات الحرارة، وفي هرم نموذجي، يخزن الوقود في الدبابات ويضغط باستخدام هواء الترام أو مضخة منفصلة، كما أن نظام التحكم يضبط معدل تدفق الوقود استنادا إلى عدد الماك والارتفاع والتوجه المرغوب فيه، ففي حالة القذائف، كثيرا ما يكون نظام الوقود بسيطا وغير قابل للاسترداد؛ وبالنسبة للطائرات التجريبية، قد يشمل التسربات الهيدروجينية المتطورة(ي)(ي)

كيف يعمل رامجيت

ويمارس الهرم نشاطه على دورة برايتون الديناميكية الحرارية، ولكن مع الضغط الذي تحقق فقط من خلال النسيج والتوسع فقط بواسطة النور والرقم 812؛ ولا يوجد توربين مستهلك للعمل، وهذه الدورة تتألف من ثلاث عمليات: الضغط الديناميكي (أو شبه المتحرك) في الإضافة الحرارية الثابتة في المشغل، ولا يمكن أن يكون هناك أي تمزق في المحركات.

The Brayton Cycle in Ramjets

وفي هرم مثالي، يدخل الهواء إلى الخندق بسرعة خارقة، ويضغط على ضغط ثابت ودرجات حرارة عالية، ثم يدخل جهاز الحرق حيث يحرق الوقود ويضيف الحرارة إلى ضغط مستمر تقريبا، ويزداد الغاز الناتج عن ذلك من خلال الزلاد لينتج زخما، ويصبح الدافع الصافي الفرق بين زخم العادم ورقم المخرج القادم، بالإضافة إلى أي خسائر في موجات الضغط غير كاملة.

البداية والتشغيل السريع

وكما لوحظ، لا يمكن أن يؤدي الهرم إلى دفعة في سرعة متقدمة صفر، ولبدء تشغيله، يجب الإسراع بالمحرك إلى سرعة يمكن أن يوصلها الحفار بما يكفي من الضغط، إذ أن سرعة البدء في الشكل تتراوح بين 0.8 و 2، حسب التصميم، و بالنسبة للبداية دون الصوتية، والصاروخ المقوى، أو طائرة الإطلاق توفر سرعة الشعلة الأولية.

نظم التعبئة

وتشمل أساليب الدفع المشتركة محركات الصواريخ الصلبة (مثلاً في العديد من القذائف السطحية - الجوية)، والدورات المركبة القائمة على التربين لمركبات الرحلات الجوية - التنغمة، أو إطلاق الصواريخ من سفينة أم مثل سفينة B-52 المستخدمة في الصواريخ X-15 (التي تستخدم صاروخاً، لكنها مماثلة لأجهزة اختبار الهرم)، وتتضمن بعض تصميمات الصواريخ المدمجة صاروخاً متكاملاً (مثل خامساً).

اعتبارات التصميم وعلم الأيرودينامي

وينطوي تصميم هرم على تحقيق التوازن بين عدة عوامل منافسة للهوائيات وعاملات الديناميكية الحرارية، ويجب أن يلتقط المنفذ الهواء الكافي دون أن يتسبب في جر مفرط؛ ويجب أن تكون غرفة الاحتراق كافية لإحراق كامل ولكنها قصيرة بما يكفي لتجنب الوزن المفرط؛ ويجب أن يضاهي الأزهار الضغط المحيطي على مظروف الطيران المقصود.

الأنواع المطلية

• Normal Shock Inlet:] Uses a single perpendicular shock to decelerate the flow. Simple but suffers from high total pressure loss at higher Mach numbers. Suitable for low supersonic speeds (Mach 1.5 to 2.5).
• Oblique Shock Inlet:] Uses a series of angled shocks (from a centerbody or ramps) followed by a weak normal shock. Higher pressure recovery at Mach 2 to 4. Common in many ramjet missiles.
• Mixed Compression Inlet:] Combines external and internal compression shocks to achieve very high pressure recovery at hypersonic speeds (Mach 5+). Requires careful boundary layer control and is more complex.

استصواب التعبئة ومولدات العلم

ويصعب حرقها في تدفق سريع جدا، وينشئ أصحاب العلم منطقة ترويح منخفضة السرعة حيث تُعيد إنتاج الاحتراق، وتُحدث باستمرار خليط الهواء الوافد، وتشمل التصاميم المشتركة المُتَبَعَة، ومثبتات الجسم الكثيف، والمكافآت الجدارية، ويتوقف الاختيار على النطاق المطلوب من نسب الاحتراق وسادة الضغط الافتراضية.

أنماط حقن الوقود

ويمكن ترتيب الحقنات على أنها حقن حائط، وحقن دخيل، أو حقنات مجهزة بالهواء، والهدف هو الخلط السريع بين الوقود والهواء المضغوط الساخن، وبالنسبة للوقود السائل، فإن حجم السحب والتوزيع أمر حاسم، وبالنسبة للوقود الغازي، تركز تصميم الحقن على الاختراق والخلط الجزيئي، ويؤدي سوء الخلط إلى حرق غير كامل، وانخفاض في الدفع، وهكذا.

Nozzle Configurations

إن الأزياء المتجانسة هي معيار للعادم السطحي، حيث تُمَزَّع مساحة الحلق لخنق التدفق (الفصل 1) وتضع نسبة التوسع رقم المخرج، وعلى ارتفاع منخفض، يكون الضغط عالياً، بحيث يمكن أن يُفتقر إلى الإوزة؛ وعلى ارتفاعات عالية، يُتجاوز نطاقها ما لم يستخدم مركب متغير لقياس الأرض.

المزايا والحدود

وتتيح شركة راميتس عدة فوائد رئيسية للدفع السريع:

• بسيط: ] No moving parts in the core motor leads to high reliable, low maintenance, and relatively low cost.
• High Specific Impulse:] At supersonic speeds, the thermodynamic cycle efficiency is higher than that of rocket motors, giving better fuel economy.
• High Thrust density:] The simple flow path allows for high mass flow and compact design, suitable for volume-limited applications like missiles.

بيد أن هذه القيود لها أيضاً قيود كبيرة:

• Zero Static Thrust:] Requires a separate boost system, add complexity and weight.
• Narrow Operating Range:] Inlet and nozzle are usually optimized for a specific Mach number and altitude; off-design performance degrades.
• High Internal Temperatures:] Sustained hypersonic flight produces extreme thermal loads, requiring exotic materials or active cooling.
• Lower Specific Impulse at Low Speeds:] Below the design point, the ramjet produces less driven per fuel flow than a turbojet.

طلبات رامجيت إنغينز

وتستخدم الرماجيت في المقام الأول في المنصات العسكرية والتجربةية ذات السرعة العالية، مع عدد قليل من التطبيقات المدنية المتخصصة.

القذائف الخارقة

The most widespread application is in supersonic anti-ship and surface-to-air missiles. Examples include the Boeing AGM-158C LRASM) (which uses a turbojet, but many ramjet missiles exist), the ]MBDA Meteor difficult (ramtojet).

الطائرات ذات السرعة العالية والبضائع

وتُستخدم طائرات استطلاعية مثل طائرة () من طراز D-21 ، طائرة استطلاع بدون طيار، هرمية (Marquardt RJ43) لرحلة ماتش 3+، وفي وقت أقرب، فإن [الرحلة البحرية الثابتة X-51 Waverider تستخدم نسخة مثبتة من طراز Scramjet (a ramjet)

Cycles Combined for Space Launch

ويُعتبر الرماديون أيضاً جزءاً من نظم الدفع المشتركة الدراجات لمركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام، فعلى سبيل المثال، يمكن لمفهوم ] [Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE) أن يُستخدم نظاماً للتربوت قبل أن يُستخدم في سرعته في استخدام الصواريخ أو الصاروخية.

مقارنة مع المحركات الجوية - الأرضية الأخرى

لفهم أين تلائم التراميجات، مقارنة بينها وبين التربويجات والخراطيش:

• Turbojet:] has a compressor and turbine; efficient from low speeds to about Mach 3; can start from rest. More complex and heavier than a ramjet.
• Scramjet: ] A ramjet variant where combustion occurs in supersonic flow. Allows flight above Mach 5-6 but requires extremely careful design because the residence time for combustion is very short. Even simpler than a ramjet (no moving parts), but hard to achieve stable combustion.
• Ramjet:] Lies between turbojet and scramjet in speed range (Mach 2 to 5). Subsonic combustion inside the chamber makes flame holding easier than in a scramjet, but the inlet must decelerate the flow to subsonic speeds, incurring greater losses at higher Mach numbers.

إن اختيار المحرك يتوقف على ملامح الطيران المقصودة، فبالنسبة لصاروخ يجب أن يتسارع بسرعة إلى ماتش 3 ثم يحافظ على هذه السرعة، فإن الهرم هو المثالي، بالنسبة لصاروخ الرحلات السياحية الذي يحتاج إلى أن يلوي بسرعة دونسونية، فإن التوربفان أو توربوجيت هو أفضل.

التطورات والبحوث في المستقبل

وتركز البحوث الجارية على توسيع نطاق سرعة الترامج وتحسين أدائها خارج نطاق التصميم، وتخفيض التكاليف، وتشمل المجالات الرئيسية ما يلي:

• Variable-Geometry Inlets and Nozzles:] Mechanical or liquidic adjustments allow a single motor to operate effectively from Mach 2 to Mach 5+.
• High-Temperature Materials:] Ceramicmel composites (CMCs) and ablative coatings are being developed to withstand combustion chamber temperatures above 3000 K without active cooling.
• Digital Control Systems:] Real-time optimization of fuel flow and inlet geometry using model-based control can improve stability and efficiency.
• Air-Turbo-Ramjets (ATR): ] Hybrid motors that combine a gas birth with a ramjet to produce static momentum while retaining ramjet efficiency at high speed.

The Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) and NASA] continue to fund hypersonic technology demonstrators, many of which rely on ramjet or scramjet principles. For example the ceptapersonic missiles

خاتمة

ويظل محرك الهرم حجر الزاوية في الدفع السريع، إذ يجمع بين البساطة الميكانيكية والكفاءة الحرارية الملحوظة في السرعة القصوى وسرعة الصوت، ويضع عناصره الرئيسية أو 8212، ويضعون محركات الحرق، ويضعون متغيرات الأنهار، ومبادئ الوقود(ب) 8212؛ ويعملون معا على تحويل الطاقة الحركية للهواء الضيق السرعة إلى نظام معزز مباشرة.

For further reading, see the NASA Glenn Research Center page on ramjets, the Wikipedia article on ramjet motors, and SKYbrary 8217;