كيف يُمكن لـ (رامجيت) أن يُصبح على الوجه الأمثل أداء المهندسين لمختلف خطوط العرض

Understanding Ramjet Engine Fundamentals

ولا تمثل محركات الرجم طبقة من نظم الدفع بالهواء التي تحقق الدافع من خلال ضغط جوي مرتفع السرعة بدون ضغط آلي أو توربينات، وتعتمد هذه المحركات كليا على الحركة الأمامية للسيارة لضغط الهواء الوافد، مما يجعلها أكثر كفاءة في السرعة القصوى فوق المدفع ٢ - وتتألف الدورة التشغيلية الأساسية من امتصاص للهب، وضغط من خلال موجات الصدم، وضغط الحقن.

آثار خط العرض على أداء رامجيت

كما أن الارتفاعات في الهواء قد تؤثر تأثيراً كبيراً على عملية الهرم من خلال التغيرات في كثافة الهواء المحيط ودرجات الحرارة والضغط، كما أن ارتفاعات أعلى، وانخفاض الكثافة الجوية في الغلاف الجوي، مما يقلل من التدفق الجماعي للهواء الذي يدخل المحركات لسرعة طيران معينة، مما يقلل مباشرة من الأوكسجين المتاح للاحتراق، وانخفاض ناتج الدفع، وكفاءة المحرك عموماً.

الفرق بين الثوران والاختلالات المحددة

ويتناسب هذا الصدأ الذي ينتجه هرم مع ناتج التدفق الجوي وسرعة الطيران، الذي عدله كفاءة الاحتراق والتوسع في الزناد، ومع ارتفاع الارتفاع، يتناقص الدافع بشكل متكافئ تقريبا مع كثافة الهواء عندما تظل جميع العوامل الأخرى ثابتة، غير أن الاندفاع المحدد (كفاءة الوقود) قد يزيد على ارتفاعات مرتفعة لأن المحرك يعمل على نحو أقرب إلى ضغطه المعلق وانخفاض عدد الازدهار.

تحديات الاستقرار في مجال الاستهلاك

ويصبح تثبيت اللهب، على ارتفاعات تزيد عن ١٥-٢٠ كيلومترا، مسألة حرجة، إذ إن الجمع بين كثافة منخفضة ودرجة حرارة ثابتة منخفضة يقلل من معدل رد فعل المخلوطات التي تعمل بالوقود، ويمتد الجسمان ذوا الكتل أو المواهب المصممان لإنشاء مناطق إعادة تشكيل ثابتة، وكثيرا ما يمتد الشعلة دون تصميم سليم، أو ينفجر اللهب أو يرتجف، مما يؤدي إلى توقف أو إلى استخدام محرك غير متحرك.

استراتيجيات التصميم من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل

ويتطلب تحقيق المستوى الأمثل من الهرم بالنسبة لطائفة واسعة من الارتفاعات اتباع نهج تصميم متكاملة تكيف مع قياسات المحرك وتوريد الوقود بما يضاهي الظروف الجوية المتغيرة، وتستخدم الأهرام الحديثة نظماً للضغط التكييفي، وحقول الوقود في المناطق المتغيرة، وتبريد فعال للحفاظ على الأداء من مستوى البحر إلى أعلى طبقة من الغلاف الجوي.

مداخل قياسات جغرافية قابلة للتغير

فالنشاط هو أول عنصر حاسم يتأثر بالارتفاع، وعلى ارتفاع منخفض وبهواء كثيف، يجب أن يلتقط المنعطف ما يكفي من الهواء دون أن يتسبب في جر أو تسرب مفرطين، وعلى ارتفاعات عالية، يجب أن يضغط نفس النسيج على الهواء النادرة بكفاءة لتحقيق استعادة الضغط المناسب، كما أن الكم الهائل من المكثفات الجيولوجية يمكن أن تؤدي إلى الحد الأدنى من الارتطام، أو إلى تغيير الشكل الأمثل في تركيبات.

نظم إدارة الوقود

ويجب أن تتكيف استراتيجيات حقن الوقود مع كثافة ودرجات الحرارة العالية التي تعتمد على الارتفاعات، وعلى ارتفاعات عالية، يتطلب تركيز أقل من الأوكسجين خلائط من الوقود الجائر لتجنب الاحتراق غير الكامل والتكوين الصويا، وعلى العكس من ذلك، قد تكون الخلائط الأغنياء ضرورية للحفاظ على درجة حرارة الاحتراق، وتستخدم نظم إدارة الوقود المتقدمة أجهزة الاستشعار في الوقت الحقيقي للضغط، ودرجة الحرارة، ودرجة الذروة في الجسم.

الإدارة الحرارية والمواد

وتولد التحليقات العالية السرعة على ارتفاعات منخفضة تسخينات شديدة في الهواء، بينما ترتفع ارتفاعاً عالياً، تتطلب القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار في الهواء إدارة حرارية دقيقة، ويجب أن تكون جدران المركبة وأسطح الزلازل مثبتة بدرجة حرارة تتجاوز 2000 كاف.

تحسين الحوائط والاشتعال

ولتمديد الحد الأقصى للارتفاعات المستقرة في الاحتراق، يستخدم المهندسون مقياسات هندسية متطورة لمولدات اللهب ومعاينات الإشعال، حيث توفر مشعلات اللهب المثبتة على أساس الثقوب، مع مناطق التطهير المرفوعة، استقرارا قويا حتى في تدفقات الكثافة المنخفضة، وبالنسبة للارتفاعات الدامية للبلازما أو أجهزة الإشعال بالليزر، يمكن أن تبدأ في الاحتراق حيث تفشل.

نموذج الأداء والتحكيم

ويتطلب أداء الهرم على ارتفاعات مختلفة أدوات محاكاة متعددة الفيزياء تُعد ثنائياً من الديناميكا الهوائية وكيمياء الاحتراق والنقل الحراري. ويقدم تحليل الدورة الصفرية تقديرات أولية للتوجهات وازدحام محدد، ولكن يلزم إجراء دراسات عن هامشية ذات مستويات محددة من الإرتفاع النهائي لدراسات التفاعل بين الأقران.

مقارنة مع نظم توربوييه وساكرامجيت

وتحافظ التربويات على ارتفاعات عالية وعلى سرعة دونسونية بسبب ضغطها الميكانيكي، ولكنها تصبح غير فعالة فوق ماتش ٢-٥ وتعاني من ارتفاع كبير وتعقيدات كبيرة، وتحتاج مركبات الرجم في المدى ٢-٥ ويمكنها أن تعمل على ارتفاعات تزيد على ٢٥ كيلومترا حيث لا يمكن أن تعزى الترمقات الى عدم كفاية تدفق الهواء.

التطبيقات العالمية الحقيقية واختبار الرحلات الجوية

وقد أظهرت عدة نظم تشغيلية أداء الهرم على ارتفاع متوسط، حيث إن BrahMos missile) تستخدم هرمياً مزوداً بالوقود السائل، وهو ما ينتقل من عملية تعزيزية إلى عملية هرمية مستمرة على ارتفاعات تناهز 14 كيلومتراً، مما يؤدي إلى سرعة الرحلات فوق ماتش 2.8.

التطورات المستقبلية في الرماديات

وتهدف البحوث في المفاهيم التكييفية إلى إزالة الحد الثابت لنقطة التصميم الذي يُفرض حالياً عمليات تبادل بين الأداء المنخفض والمتوسط والأداء العالي الخطورة، ومحركات التهكم المزدوجة التي يمكن أن تتحول بين الحرق دون الصوتي والغطاء السطحي التي تتيح توسيع نطاق الارتفاعات وسرعة المظاريف.

وسيؤدي استمرار الاستثمار في المواد ذات الحرارة العالية، والتبريد النشط، ومراقبة الانطلاق إلى زيادة رفع سقف الارتفاعات الهرمية، مما يمكن من مواصلة الرحلة على مسافة تتراوح بين 40 و50 كيلومترا للمنصات الصوتية، ومع تزايد قدرة الأدوات الحاسوبية على زيادة قوتها، وتقليص دورات التنمية، مما يتيح سرعة التكرار في التصميمات المفاجئة، وستعتبر هذه التطورات الهرم حجر الزاوية للجيل القادم من الفضاء الجوي.