دور الأيروسبيكي نولز في الجيل القادم من محركات الروكيت

وثمة اتجاه هام آخر يتمثل في تخفيض عقوبة سحب الجرس، ففي مصباح الجرس، تسهم القاعدة الكبيرة للمحرك في السحب الهوائي، لا سيما أثناء التحليق عبر المحيط، ويجعل تصميم الهروب الجوي الخلوي قاعدة المحرك ضئيلة جداً جداً، حيث يقلل من الحد الأدنى من السحب الأساسي للعجلات، ويمكن لهذه الميزة أن تحسن أداء المركبات عموماً بنسبة عدة في المائة.

مزايا الأيروسبيك نولز

التعويض عن خط الاستقامة

وتتمثل أهم الفوائد في القدرة على الحفاظ على الكفاءة العالية من مستوى البحر إلى الفضاء، وفي حين أن زهرة الجرس تخسر ما يصل إلى 15-20 في المائة في حالة اندفاع محدد عند العمل بعيدا عن ارتفاع تصميمه، فإن الهباء الجوي يفقد عادة أقل من 5 في المائة، وهذا يعني أن مركبة تستخدم محركات الإيروسبيك يمكن أن تحقق نفس الحمولة التي يقل وزنها كثيرا عن حجم الوقود، أو يمكن أن تحمل أيضا حمولة ثقيلة.

تحسين النبضات المحددة

A well-designed aerospike can achieve a vacuum specific impulse] similar to a large-area-ratio bell nozzle while deliver much higher sea-level performance. For example, the linear aerospike tested in the X-33 program demonstrated a sea-level I_)sp seconds.]

تخفيض الوزن

ونظرا لأن الأيروسبيكي يزيل الجزء الطويل والمتباين من نغمة الجرس، يمكن أن تكون جميع محركات المحركات أخف، وفي معزز كبير، يمكن أن تمثل المصابيح جزءا كبيرا من كتلة المحرك، إذ يجيب على أن بسباج صغير نسبيا وغرفة احتراق أقصر توفر كيلوغرامات تترجم مباشرة إلى زيادة في حجم الحمولة أو إلى تحميل هيكلي مخفض.

مركبة مخفضة

وتمتد نولزات الجرس إلى الخلف من المحرك، مما يزيد من طول مركبة الإطلاق عموما، ويمكن إعادة استخدام نسيج للهوائيات، لا سيما في تشكيلة من الوحدات، في قاعدة المركبة، مما يجعل الصاروخ أقصر وأكثر تشويشا هيكليا، كما أن المركبات الأقصر سهولة للنقل، وتتطلب هياكل أساسية أقل لمواقع الإطلاق، وتشهد لحظات أقل تنازلا أثناء الطيران.

الوفورات المحتملة من التكاليف والصناعات التحويلية

وفي حين أن محركات الارتحال الجوي أكثر تعقيداً من الناحية التاريخية في التصنيع بسبب قنوات التبريد المعقدة ومتطلبات الإغلاق، فإن التقدم في التصنيع المضاف والضغط الازدياد الحار يخفضان هذه التكاليف، كما أن مخططات المحركات العامة - التي يمكن أن تكون أقل من مكونات التربوموزين إذا أدمجت في دورة الحرق المكتملة - لا يمكن أن تقلل في نهاية المطاف من تكاليف الإنتاج.

التحديات والحواجز التقنية

الإدارة الحرارية

ولا بد أن تصمد أسطح الترسبات الحرارية الهائلة من تدفق التفاعلات الصوتية الخارقة، وفي معلومة التوابل، فإن درجة الحرارة في الركود قد تتجاوز ٠٠٠ ٣ درجة مئوية، مما يتطلب تقنيات التبريد المتقدمة، فالتبريد التراكمي، حيث يتم توزيع الوقود من خلال قنوات في شكل التوابل قبل الحقن، هو النهج المعياري الذي يكتنف صناعة هذه القنوات.

قابلية الاحتراق

وقد يكون لغرف الاحتراق التطريزي أو الخطي التي تغذي الهروبات الصوتية غير عادية مقارنة بالغرفات السيليندرية لمحرك تقليدي، وقد يصعب تدهن أوسجة الحرق، لا سيما عندما تضغط غرف متعددة على ممر تدفق مشترك، وقد كشفت التجارب السابقة على الرافعة الأرضية من طراز X-33 (الخليج من طراز X-32200) عن حدوث انقلابات مُعقدة بين الوصلات الترسبة.

التصنيع

إن إنتاج مسامير كبيرة من الجمود مع تسامح شديد ومرورات للتبريد المعقدة مكلفة، فالهروب من الطين أبسط إلى حد ما لأنه يتألف أساساً من منحدرين مسطحين، ولكن هذه السهام يجب أن تكون طويلة للغاية لتحقيق التوسع المنشود، كما أن الإغلاق بين السقف والجدارات الجانبية يصبح تحدياً، كما أن المحاولات التاريخية مثل محركي الأكسجين المتطورين.

التدفق القاعدي والسيدسيد

وعلى ارتفاعات انتقالية معينة، يمكن أن يُنقش العمود بين التدفق المعلق والمفصل على السقف، مما يولد قوى جانبية يمكن أن تضغط على غيمبال المحرك أو هيكل المركبات، كما أن حمولات الجانب هي مشكلة معروفة جيدا في نولز الجرس بالقرب من بداية سطح البحر، ولكن ميدان تدفق الهواء الأكثر تعقيدا يمكن أن ينتج حمولات غير متوقعة من الشاحنات المحتوية على عجلات.

عدم الكفاءة في الارتفاع الشديد

وفي حين أن الهباء الجوي يعوض معظم المسارات، فإنه على ارتفاعات شديدة (فوق 100 كيلومتر) يصبح التوسع في الأعماق حراً أساساً، ولا يوفر السقف سوى توجيه محدود، ويختفي جدار النواة الافتراضي ويتوسع التدفق في الاتجاهين، ويفقد بعض السيطرة على الاتجاه، غير أن المركبة تسافر بالفعل بسرعة عالية، كما أن الخسائر طفيفة مقارنة بالمكاسب الأقل في الغلاف الجوي.

التنمية التاريخية

وقد عاد مفهوم الأزهار المكشوف إلى الخمسينات، ولكن الأيروسوبيكي تلقى أول تمويل جدي له خلال الستينات كجزء من جهود القوات الجوية الأمريكية لبناء مركبة واحدة إلى المدار، وفي السبعينات، أجرى الفريق العامل المعني بالصواريخ (FLT:0) اختبارات أرضية واسعة النطاق، معروفة في إطار برنامج محركي متطور.

وربما كان أكثر اختبارات الطيران شهرة في الرحلة الجوية هو NASA X-33 / VentureStar)(

In Europe, ESA and the German Aerospace Center (DLR)] have studied smaller aerospike motors for upper-stage applications, and in Japan, the Institutee of Space and Astronautical Science (ISASAS) tested a small annular rocket-5spike in 2003

البحوث الحالية والتوقعات المستقبلية

تنمية الصناعة الخاصة

(أ) لا توجد الآن شركات خاصة تدفع تكنولوجيا الإرسال الجوي إلى الاستخدام التشغيلي. Firefly Aerospace، كانت تخطط أصلاً لاستخدام محرك إشعال (ألفا 1) على جهاز الإطلاق " ألفا " ، ولكنها تحولت لاحقاً إلى زهرة تقليدية بسبب تكاليف التنمية.

وفي الصين والهند، يجري اختبار محركات الإيروسوبيكي على نطاق المختبرات، حيث تتيح الصناعة المضافة للهند سرعة تسرب المصابيح الأرضية، مما يتيح إجراء اختبار شامل لتصميمات التبريد وخصائص التدفق بتكلفة منخفضة.

تطبيقات نظم الإطلاق القابلة للاستعمال

إن الأزهار الهوائية جذابة بوجه خاص بالنسبة للصواريخ القابلة لإعادة استخدامها، حيث يجب أن يعمل المحرك عبر نطاق واسع على كل رحلة، كما أن مرحلة أولى قابلة لإعادة الاستخدام تماماً تعود إلى الأرض باستخدام الهبوط الدافع ستستفيد من التعويض عن الارتفاعات أثناء الرسوب والنسب، وبعض المفاهيم المتعلقة بالجيل القادم من الصواريخ الثقيلة القابلة لإعادة الاستخدام الكامل (مثلاً، يستخدم هامش الفضاء النجمي حالياً محركات تقليدية، ولكن سابقاً)

إمكانية اللجوء إلى التحكيم من جهة إلى جهة واحدة

إن الركاز المقدس للصواريخ - وهي مركبة يمكن أن تصل إلى المدار دون أن ترسم - يُطلب منها محركاً ذا أداء استثنائي على جميع المستويات، وكثيراً ما يُشار إلى الأيروسوبسكي باعتباره المفهوم الوحيد القائم الذي يمكن أن يُلقي نظرة محددة على المحركات المُطلَقة على متن الساتل SSTO، بينما يظل التحدي الذي يواجهه إلى حد بعيد بسبب الكسور الهيكلية الجماعية، وهو ما يجعل من الأيروسكوبيت المُ مُثبتاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً مُ مُسبقا.

التكامل مع دورات التكاثر المتقدمة

ويمكن أن تقترن محركات الإرسال الجوي في المستقبل بـ ] دورة الحرق المرحل ، التي تُدير كلا من المثقفين الغنية بالوقود والأوكسيديات لقادة مضخات منفصلة، وهذه الدورة تُنتج بالفعل درجة عالية من الكفاءة ودرجة حرارة منخفضة من التربين، وتدمجها مع محركات الصواريخ ذات الكفاءة المطلقة.

مقارنة مع مفاهيم أخرى للموسيقى

"الزواحف المزدوجة"

وتحتوي المصباح المزدوج على مخروطين ثابتين للتوسع: ممر منخفض الارتفاع وممر عالي الارتفاع، مع منطقة انحلال سلسة تؤدي إلى فصل تدفقي غير متناظر على ارتفاع محدد مسبقا، وفي حين أن أداء ثنائي الجرس يضحي ببعض الكفاءة في المنطقة الانتقالية ولا يمكن أن يتكيف باستمرار.

موسعة/أزياء قابلة للتعديل

وتستخدم الألغاز القابلة للتمديد ميكانيكياً قسماً للتنقيب عن بعد ينشر على ارتفاع لزيادة نسبة التوسع، وتضيف أجزاء متحركة وكتلة وطرق فشل محتملة، ويتجنب الإرسال جميع الأجزاء المتحركة، مما يجعله أكثر موثوقية، على الرغم من أن الحمولة الحرارية على السبايك تشكل مصدر قلق مختلف.

Plug Nozzles

الزهرة هي مفهوم آخر يعوض ارتفاعات التدفق يتوسع على رفوف مركزي مشابه للهواء

خاتمة

إن مصباح الأيروسوبسكي يمثل أحد القلة المتبقية من " الفاكهة المنخفضة " في مبدأ الصواريخ الكيميائية - وهو مبدأ بدني جيد الفهم لم يستغل بعد استغلالا كاملا في مركبات الإطلاق التشغيلية، وقدرة الصناعة على الحفاظ على اندفاع محدد في جميع مظروف الطيران، مقترنة بالوزن المحتمل ووفورات الجر، تجعله خياراً مقنعاً لمحركات الصواريخ الجيل القادم.

بالنسبة للقراء المهتمين بتفاصيل تقنية أعمق، توفر الموارد التالية معلومات أساسية ممتازة: NASA's X-33 Linear Aerospike Engine Fact Sheet ، AIAA paper on annular aerospike performance، و