موشکهای دارای موتور اسکرمجت چه تفاوتی دارند؟
یک موشک کروز هایپرسونیک باید بیشتر از اینکه برای مدت کوتاهی به سرعتی بسیار بالا برسد، توانایی حفظ پرواز قدرتمند در جو را داشته باشد؛ یعنی بتواند با سرعتی حداقل پنج برابر سرعت صوت (ماخ ۵) حرکت کند.
اینجاست که موتور اسکرمجت وارد میشود. این موتور که کوتاهشده عبارت «Supersonic Combustion Ramjet» به معنای «رمجت با احتراق فراصوت» است، از هوای اطراف بهعنوان منبع اکسیژن استفاده میکند. این موتور با کمک حرکت رو به جلوی موشک، هوا را پیش از ترکیب با سوخت فشرده کرده و نیروی رانش تولید میکند.
ایده این فناوری ساده به نظر میرسد؛ اما عملیکردن آن در شرایطی که یک وسیله با سرعت بیش از یک مایل در هر ثانیه حرکت میکند، بسیار دشوار است.
موتور اسکرمجت چگونه کار میکند؟
برخلاف موتورهای توربوفن مورد استفاده در هواپیماهای تجاری که به پرههای کمپرسور چرخان متکی هستند، اسکرمجت هیچ قطعه چرخانی برای فشردهسازی هوا ندارد.
در عوض، شکل ورودی هوا و سرعت بسیار بالای موشک باعث میشود هوای ورودی به فضای باریکتری هدایت شود و فشار و دمای آن افزایش یابد.
سپس سوخت، که معمولاً یک هیدروکربن یا هیدروژن است، به این جریان هوای فشرده تزریق میشود. مخلوط سوخت و هوا داخل محفظه احتراق مشتعل شده، انرژی آزاد میکند و پس از انبساط از طریق نازل انتهایی، نیروی رانش تولید میشود.
جزئیات مهم این است که هوا هنگام عبور از محفظه احتراق همچنان با سرعت فراصوت حرکت میکند. در موتورهای رمجت معمولی، جریان هوای ورودی پیش از احتراق تا سرعتهای زیرصوت کاهش مییابد؛ اما این روش در سرعتهای بالاتر از ماخهای زیاد، بهتدریج ناکارآمد میشود.
حفظ جریان فراصوت به اسکرمجت اجازه میدهد در سرعتهایی کار کند که موتورهای جت معمولی قادر به فعالیت در آنها نیستند. بااینحال، همین طراحی باعث میشود اسکرمجت نتواند هنگام سکون یا حرکت با سرعت پایین، نیروی رانش مفیدی تولید کند.
به همین دلیل، یک بوستر موشکی یا هواپیمای دیگر باید ابتدا موشک را به سرعت مورد نیاز برساند. پس از رسیدن اسکرمجت به شرایط کاری مناسب، موتور روشن شده و بخش پیشران پرواز را بر عهده میگیرد.
چرا اسکرمجت برای موشکهای کروز مناسب است؟
موشکهای معمولی هم سوخت و هم اکسیدکننده را حمل میکنند، زیرا باید بدون وابستگی به جو فعالیت کنند. اما اسکرمجت اکسیژن مورد نیاز خود را مستقیماً از هوای اطراف دریافت میکند و در نتیجه نیازی به حمل اکسیدکننده جداگانه در مرحله کروز ندارد.
این ویژگی میتواند وزن موشک را کاهش دهد و فضای داخلی بیشتری برای سوخت، حسگرها یا محموله ایجاد کند. همچنین امکان پرواز قدرتمند و مداوم در جو را فراهم میکند، نه فقط یک شتابگیری کوتاهمدت.
این موضوع باعث تفاوت میان موشکهای کروز مجهز به اسکرمجت و تسلیحات هایپرسونیک بوست-گلاید میشود. یک وسیله بوست-گلاید ابتدا توسط یک موشک شتاب میگیرد و سپس به سمت هدف سر میخورد، اما موشک کروز هایپرسونیک با موتور تنفسکننده هوا همچنان در طول پرواز نیروی رانش تولید میکند.
پرواز پیشراندار میتواند به موشکهای کروز امکان بیشتری برای تغییر مسیر یا انجام مانور در طول درگیری بدهد. سرعت بالا، مسیر پرواز در ارتفاع پایینتر از جو و قابلیت مانور احتمالی نیز میتوانند زمان واکنش سامانههای دفاعی را کاهش داده و رهگیری آنها را دشوارتر کنند.
بااینحال، اسکرمجت محدودیتهایی دارد. از آنجا که این موتور به اکسیژن موجود در جو وابسته است، عملکرد آن به ارتفاع، چگالی هوا و سرعت وابسته خواهد بود. موتور باید در محدوده نسبتاً محدودی از شرایط پروازی باقی بماند تا بتواند نیروی رانش پایدار تولید کند.
چرا فناوری اسکرمجت تا این اندازه دشوار است؟
احتراق درون اسکرمجت گاهی به روشنکردن یک کبریت در میان طوفان تشبیه میشود. هوا در چند میلیثانیه از داخل موتور عبور میکند و به سوخت تزریقشده زمان بسیار کمی برای ترکیبشدن، مشتعلشدن و سوختن مؤثر میدهد.
مهندسان باید از خاموششدن شعله جلوگیری کنند و همزمان امواج ضربهای ایجادشده در ورودی هوا و محفظه احتراق را کنترل کنند. اختلال در جریان هوا میتواند پدیدهای به نام «Unstart» ایجاد کند که باعث کاهش ناگهانی نیروی رانش و حتی بیثباتشدن وسیله پرنده میشود.
گرما نیز یکی دیگر از چالشهای جدی است. اصطکاک هوا و فشردهشدن آن، بدنه و موتور موشک هایپرسونیک را در معرض دماهای بسیار بالا قرار میدهد؛ بنابراین استفاده از مواد مقاوم در برابر حرارت، پوششهای محافظ و سامانههای خنککننده دقیق ضروری است.
حتی تغییرات جزئی در ارتفاع پرواز میتواند جریان هوای ورودی به موتور را تغییر دهد. به همین دلیل، بدنه موشک، ورودی هوا، محفظه احتراق و نازل همگی بخشی از یک سامانه پیشران یکپارچه محسوب میشوند، نه اجزایی جداگانه.
ناسا در سال ۲۰۰۴ توانایی این فناوری را با وسیله تحقیقاتی بدون سرنشین X-43A نشان داد. این هواپیما در یک پرواز آزمایشی به سرعت تقریبی ماخ ۹.۶ رسید. این آزمایش رکورد سرعت یک هواپیمای هواتنفسی را ثبت کرد و نشان داد احتراق اسکرمجت در سرعتهایی نزدیک به ۱۰ برابر سرعت صوت امکانپذیر است.
از آن زمان، اسکرمجت به بخش مهمی از چندین برنامه تحقیقاتی نظامی تبدیل شده است. بااینحال، انجام یک آزمایش موفق با ساخت یک سلاح عملیاتی که بتواند بهطور مطمئن روشن شود، مسیر خود را پیدا کند، مانور دهد و شرایط سخت عملیاتی را تحمل کند، تفاوت زیادی دارد.
وعده این فناوری روشن است: پرواز هایپرسونیک پایدار بدون نیاز به حمل اکسیدکننده در مرحله کروز. اما چالش اصلی، ایجاد احتراق کنترلشده در یکی از سریعترین و سختترین محیطهای جریان هواست که تاکنون توسط مهندسان ساخته شده است.
