Table of Contents
Understanding Ramjets
فالرمجيتس هي فئة من محركات الطائرات التي لا تملك أي ضغط أو توربين متحرك، تعتمد كليا على الحركة الأمامية للسيارة لضغط الهواء الوافد، وهذا التصميم يجعلها بسيطة بطبيعتها وخفيفة مقارنة بمحركات التربوت أو توربفان، وفي سرعة الترام الفرعية لا تكون فعالة لأنه لا يوجد ضغط فعلي كبير على الهواء.
وفي هرم، يدخل الهواء إلى القاع ويبطئه )مكتظ( سلسلة من موجات الصدمة قبل دخول حجرة الاحتراق، ويحرق الوقود، ويتسع الغاز الساخن الناتج عن ذلك من خلال ثواني صاخبة لإنتاج الدفع، لأن المحركات تستخدم الأكسجين الجوي كأوكسديزر، لا تحتاج المركبة إلى حمل صهاريج أكسيدية ثقيلة، وهي ميزة رئيسية على محرك الصواريخ )٠٠٠٢(.
كما أن دورة الحرارة في الهرم تشبه دورة برايتون، ولكن بدون ضغط، بل إن تباطؤ الهواء الآخذ في الارتفاع، يوفر الضغط اللازم، وهذه العملية تولد تدفئة كبيرة، ويجب أن تكون هياكل الهرم قادرة على تحمل درجات حرارة شديدة، وتتطلب في كثير من الأحيان مواد متقدمة مثل السيراميك، والزجاجات العالية السرعة، ونظم التبريد النشطة.
Scramjets - The Supersonic Combustion Variant
وبسرعة أعلى من ماك 5، فإن ارتفاع درجة الحرارة من ضغط الهواء إلى السرعة دون الصوتية يصبح شديد جدا بحيث تصبح الحدود المادية وأجهزة الحركية الكيميائية تجعل عمليات الاحتراق التقليدية غير عملية، وهرم الحرق الصوتي الخارق، أو الحرق، تتغلب على ذلك بإبقاء التدفق فوق سطح المحرك، وتتحول الهواء إلى تسارع تسارع تسارع تسارع الارتداد.
وتعتبر الاختراقات عاملاً رئيسياً في التمكين من النقل الجوي البعيد المدى ، ونظراً إلى أن مرحلة الفرز الجوي لنظام إطلاق من مرحلتين إلى المدار (TSTO) قد أظهرت أيضاً صعوبات في الحركة من حيث الحرق (X-43A) و(X-51 و(US Air Force) وجود تكنولوجيا مُثبطة في الطيران، حيث تبين أن هذه الاختبارات قابلة للتنفيذ().
مزايا رامجيتس وسكراميتز لإطلاق الفضاء
- Mass Reduction:] By using atmospheric oxygen, the vehicle can carry significantly less propellant mass. For a launch vehicle, the oxidizer typically accounts for about 60-70% of the propellant mass. Eliminating that from the air-breathing phase reduces the overall gross lift-off weight (GLOW) and allows a larger payaction.
- Higher Specific Impulse:] As noted, air-breathing motors offer specific impulse many times that of rockets. this means the vehicle can generate more driven per unit of propellant consumed, increasing the total impulse available for acceleration and trajectory shaping.
- Reusability Potential:] Ramjet-powered first stages could land horizontally like an aircraft, enabling rapid turnaround and reducing the cost per launch. Concepts such as the Reaction Engines Skylon have proposed fully reusable single-stage-to-orbit (SSTO) vehicles using a precoolreth designabrid air-b.
- Lower Ascent Loads:] Air-breathing ascent profiles typically involve a gradual flow through the atmosphere rather than a high-thrust spiritual launch. This reducestom aerodynamic forces and heating loads, allowing lighter structural designs and potentially reducing wear on reusable vehicles.
- Flexible Operations:] Hypersonic air-breathing vehicles can maneuver during ascent, offering trajectory flexibility to reach various spheress or to abort safely. This is a significant advantage for military space access and for missions requiring time-critical launch windows.
التحديات التي تواجه التغلب على التحديات
وعلى الرغم من وعدهم، تواجه نظم الدفع بالهرم والزجاجة تحديات أساسية عديدة يجب التصدي لها قبل أن تستخدم بشكل روتيني في إطلاق الفضاء.
الإدارة الحرارية
كما أن ارتفاع سرعة تدفق الهواء يولد تدفئة متجانسة مشعية شديدة، كما أن درجات الحرارة في الماشية 8 يمكن أن تتجاوز 000 3 ك، مما يتطلب التبريد النشط لأسوار المحرك، وترك الحواف الرئيسية، وحلقات الذرة، والتبريد التراكمي، حيث يتم توزيع الوقود من خلال قنوات التبريد قبل الحقن، هو النهج الرئيسي.
التكامل مع مشروع روكيت
ولا يمكن تشغيل محرك للتنفس الجوي خارج الغلاف الجوي، إذ يجب أن تنتقل أي مركبة لإطلاق تستخدم الأنهار إلى محرك صاروخي للتسارع النهائي إلى السرعة المدارية، وهذا يتطلب محركاً مركباً مركباً مركباً مركباً مركباً مركباً مركباً مركباً مركباً مركباً، أو دورة مركبية مركبية مركبية مركبية مركبية، يجب أن تكون سلسة وناً ومتسارعاًاً.
الأداء والبدء
ويجب أن تلتقط مداخل الرجمة الكمية الصحيحة من الهواء وأن تولد نسبة الضغط المرغوبة على مجموعة واسعة من السرعة، وقد يبدأ الانطلاق في سرعة سطحية منخفضة، مما يتسبب في حدوث جر أو عدم إطلاق، ويجب تعجيل المركبة بوسائل أخرى (متغيرات الصواريخ، أو التركات، أو التعبئة) إلى رقم تصميمي متش حيث يمكن أن يُستحوذ عليه الترُّم الثابت.
الاستقرار والثقل
وفي مجرى مائي، يمتد وقت الإقامة في المحرقة إلى مصباح ملي ثاني، ويجب حقن الوقود، والخلط مع مجرى الهواء الفوق الصوتي، والإشعال داخل تلك النافذة، وقد تم اختبار محاصل اللهب، والهدايا، ومخططات حقن الجدار، ولكن الحفاظ على الاحتراق الثابت في ظروف الطيران المختلفة لا يزال من مجالات تركيز البحث أو فقدان المركبات.
المواد وصنعها
وتستلزم درجات الحرارة القصوى، مقترنة بالغلاف الجوي المكسد والضغوط الدينامية العالية، مواد تحافظ على القوة وتقاوم الأكسدة، وتتكون مركبات المصفوفة السيراميات فوق التضاريسية، والمعادن ذات الزمرة العالية، والمعادن ذات الكثافة العالية، من المرشحين، ولكنها مكلفة ومن الصعب تصنيعها في شكل كبير ومعقد.
المشاريع الحالية للبحث والشهادات
ولدى عدة دول برامج نشطة لتطوير الدفع بالهواء فوق الصوتي للتطبيقات العسكرية والمدنية على السواء، وتُنتج هذه المشاريع بيانات هامة يمكن أن تُسترشد بها في تصميمات الإطلاق الفضائية في المستقبل.
DARPA Hypersonic Air-breathing weapon Concept (HAWC)
The HAWC program, run by DARPA in collaboration with the US Air Force, has tested scramjet-powered cruise missiles capable of sustained flight at Mach 5+. In 2022, a Raytheon/Northrop Grumman test achieved a nine minutes flight at speeds above Mach 5, showing scramjet performance and endurance. While the immediate goal is a weapon, the technologies developed-admalced protection stages
Reaction Engines SABRE and Skylon
(أ) شركة SABT، التي تستخدم لوحة مفاتيح محركات عالية السرعة في المدار الثابت بالنسبة للأرض، وهي تستخدم محركاً محركاً محركياً عالياً ومحركاً مجهزاً بالصواريخ (SABL) (S.F.)
NASA X-43 and X-51 Legacy
وقد طار برنامج " هايبر - إكس " التابع للرابطة في عام 2004، حيث حقق رحلة جوية ذات قوة متحركة في ماش 6.8 ثم ماش 9.6، وأثبت برنامج " X-43A " استمرار صلاحية الدفع الساكني والنماذج الحاسوبية المصدق عليها، ولا يزال تصميم " وافريد " ، الذي تموله القوة الجوية الأمريكية، ممتداً لتصلب الطائرات، في عام 2013.
الجهود الصينية والروسية
وقد اختبرت الصين Starry Sky-2] waverider وهي بصدد تطوير مركبة الصخور الفوقية الصوتية التابعة للقوى العاملة في المناطق المتجمدة، التي يمكن تعزيزها بمرحلة من الخراطيم، بينما كانت تكنولوجيا الإطلاق في روسيا Tsirkon [FLT] ] [Zircon] تستخدم الصواريخ الدفعية.
إدماج نظم الإطلاق المستقبلية
إن التطبيق الأكثر واعدة في الأجل القريب لتكنولوجيا الهرميات والقاذورات في الإطلاق الفضائي هو كجزء من نظام من مرحلتين إلى المدار، وفي مفهوم نموذجي من نظام TSTO، فإن المرحلة الأولى هي طائرة ذات قدرة فائقة على الهواء تحمل مرحلة ثانية ذات قدرة صاروخية إلى ارتفاع عال ونقطة 5+.
ويمكن أن يقلل هذا النظام من تكاليف الإطلاق بعامل يتراوح بين 2 و 5 مقارنة بالصواريخ المستهلكة، تبعا لدرجة إعادة الاستخدام، فعلى سبيل المثال، يستخدم نهج الطائرات الحاملة لأجهزة النقل Stratolaunch طائرة كبيرة ذات قدرة توربفانية، ولكن مرحلة أولى ذات قدرة هرم يمكن أن تتسارع وتزيد من تحسين الأداء.
وهناك طريق آخر للتكامل يستخدم الأهرامات كأجهزة تعزيز للمرحلة الأولى من الصاروخ، وسيوفر الهرم زخماً معززاً خلال فترة الرسن الأولى، مما يسمح بأن تكون محركات الصواريخ أصغر أو أن تكون الحمولة أكبر، غير أن الكتلة الإضافية لنظام الهرم والحاجة إلى حمل وقودها المجرب (بما أنه يستخدم هواء الغلاف الجوي) يجب أن تُقيَّم من هذه المحركات السريعة.
"الطريق الأمامي"
ويتطلب المسار إلى نظم إطلاق الفضاء القائمة على الهرم التشغيلي مواصلة الاستثمار في المواد وعلوم الاحتراق واختبارات الرحلات الجوية، وتشمل المعالم الرئيسية المتوقعة في العقد القادم ما يلي:
- Flight tests of TBCC or RBCC motors] on subscale vehicles, transitioning from air-breathing to rocket mode in flight.
- Demonstration of reusable hypersonic cruise] for 10+ minutes, proving motor durability and thermal management.
- Validated performance models] for integrated vehicle design, allowing trust predictions of trajectory and weight.
- Reduced cost of high-temperature materials] through additive manufacturing and new composites.
وإذا ما تم التغلب على هذه التحديات، فإن الترامج يمكن أن تتيح جيلا جديدا من مركبات الإطلاق التي تعمل مثل الطائرات أكثر من الصواريخ، مع سرعة التحول وتدني تكاليف التشغيل، ولن تحل هذه المركبات محل الصواريخ الثقيلة التي تحمل كل منها - فإن بعض الحمولات تكون كبيرة جدا بالنسبة لمراحل التسخين الجوي - ولكنها تستطيع أن تملأ مكانا حاسما في الإطلاق من الطراز المتوسط والنقل فوق الصوت.
وتتيح الرمادي والخراطيش مساراً قاهراً لنظم الإطلاق الفضائية الأكثر كفاءة وقابلية للتجدد، إذ تسخر الأكسجين الجوي أثناء المرحلة المبكرة من الرحلة، وتخفض كمية الوقود، وتزيد من حجم الحمولة، وتسمح بالإقلاع الأفقي والهبوط، وفي حين أن العديد من العقبات التكنولوجية لا تزال قائمة، فإن البحوث الجارية في ناسا، وداربا، وترك إنجينز، وغيرها من المنظمات تتقدم بشكل مطرد بقدر أكبر من المرونة في مجال النقل الجوي.