Ramjet Engines

موتورهای رمجت و دنیای فرا صوت


هر از گاهی که هواپیمایی از فراز خانه تان عبور می کند یا زمانی که فقط غرش موتورهای هواپیمایی را می شنوید، شاید با خودتان بگویید: «این یک هواپیمای جت است.» بله حدستان درست است، چون هواپیماهای امروزی اکثراً به موتورهای جت مجهزند و زمان موتورهای پیستونی در هوانوردی تقریباً به سر رسیده است. موتورهای جت همان بخش پر رمز و راز هواپیماها هستند که برای اکثر مردم هنوز هم ناشناخته اند. یکی از انواع موتورهای جت که فصل تازه ای را در پرواز با سرعت های بسیار بالا را در جو زمین باز کرده است، موتورهای رمجت باشد که امروزه در موشک های کروز و حتی برخی هواپیماهای نظامی کاربرد وسیعی دارد. در مقاله زیر به تاریخچه ساخت و چگونگی عملکرد این موتورهای جالب خواهیم پرداخت:


موتورهای جت از هر شاخه ای که باشند، در دنیای امروز نامشان با صنعت هوانوردی پیوند خورده است. امروزه تقریباً کلیه هواپیماهای مسافربری دوربرد به موتورهای جت مجهزند، چرا که مزایای فوق العاده آن ها این موتورها را در سطح بسیار بالاتری نسبت به موتورهای پیستونی قرار می دهد. یکی از امتیاز های غیر قابل صرف نظر این گونه موتورها، توانایی فراهم کردن نیروی مورد نیاز برای پرواز هواپیما در سرعت های مختلف از جمله سرعت های زیر صوت و سرعت های مافوق صوت است که در زمان های گذشته برای موتورهای پیستونی امکان پذیر نبود. در سرعت های نزدیک سرعت صوت یا سرعت های ترانسونیک، ملخ موتورهای پیستونی تقریباً به شکل یک دیسک دوار درآمده و موجب به وجود آمدن مقادیر زیادی نیروی پسا می شد. اما با به روی کار آمدن موتورهای توربوجت، یعنی همان ابتدایی ترین و ساده ترین موتورهای جت متحرک، این مشکل به سادگی حل شد، چرا که نیروی عظیمی که موتورهای جت قادر به تولیدش بودند هواپیماهای مجهز به این موتورها را با سهولت از سرعت صوت عبور می داد. بی دلیل نیست که می گویند در عصر جت دیگر دیوار صوتی معنایی ندارد.





یک موتور رم جت روی استاند مخصوص موتور




موتورهای رم جت چگونه به وجود آمدند


موتورهای جت معمولی متحرک، همگی دارای پایه و اساس و ساختار اصلی واحدی هستند. برای مثال موتورهای توربوجت، توربوفن، فن جت، توربوپراپ و ... اگر چه در کاربرد و سیستم های جانبی به کار رفته در آن ها متفاوت هستند، اما هسته همه این موتور ها بر پایه همان ساده ترین نوع موتور جت متحرک یعنی توربوجت استوار است. همان گونه که می دانیم، هر یک از انواع موتورهای جت برای رفع نیاز پرواز در سرعت های مشخصی ساخته شده اند و هر یک دارای محدوده های سرعت مخصوص به خود هستند. برای مثال موتورهای توربوپراپ برای پرواز در سرعت های زیر صوت و نزدیک به نیم ماخ ساخته شده و این در حالی است که موتورهای توربوفن هم برای پرواز در سرعت های زیر صوت طراحی شده اند، اما سرعت های نزدیک به یک ماخ. موتورهای توربوجت که به دلیل مصرف سوخت بالایشان بیشتر در هواپیماهای جنگنده و انواع ابتدایی هواپیماهای مسافربری جت استفاده می شد، اگر چه کارایی پرواز از سرعت های زیر صوت و تا بالای سرعت صوت را هم دارا بودند، اما در حقیقت صرفه از نظر مصرف سوخت آن ها فقط و فقط محدود به سرعت های بالای سرعت صوت و تا حدود سرعت دو ماخ می شد.





مقایسه موتور توربوجت با موتور رم جت




به زودی مشخص شد که قطعه های متحرک در موتورهای جتی که می بایست برای سرعت های بالای سه ماخ ساخته شوند، دیگر جایی ندارند. چرا که همین قطعه های متحرک به دلایل متعدد اجازه دستیابی به سرعت های بالاتر را نمی دادند. یکی از مشکلات مهم این گونه موتورها حجم بسیار بالای هوای ورودی در سرعت های بالای یک و نیم ماخ بود که برای نخستین بار در موتورهای J-79 ساخت شرکت جنرال الکتریک به وسیله استفاده از سیستم استاتورهای متغیر که هوای ورودی را کنترل می کردند حل شد. اما این موتورها همچنان در سرعت های بالاتر دارای مشکلاتی بودند. با پی بردن به این مسائل، ایده موتورهایی که فاقد هر گونه قطعه متحرکی هستند پی گیری شد.






موتورهای رم جت چگونه کار می کنند


در موتورهای جت معمولی، مثلاً از نوع توربوجت، وجود کمپرسور و توربین و شفت متصل کننده این قطعات ضروری به نظر می رسد. در موتورهای احتراق داخلی، مثل موتورهای پیستونی و جت کارکردن موتور وابسته به میزان کمپرس شدن هواست. این مسئله به گونه ای است که کمپرس هر چند که بسیار ناچیز باشد اگر وجود نداشته باشد موتور روشن نمی شود. از سوی دیگر هر چند ضریب کمپرس یا همان تراکم بالا تر باشد صرفه مصرف سوخت موتور هم بیشتر می شود. به همین دلیل است که موتورهای جت امروزی که برای بیشترین صرفه اقتصادی از نظر سوخت ساخته می شوند، دارای ضریب های تراکمی نزدیک به 44:1 هستند. موتورهایی نظیر موتورهای توربوجت با مکش هوا و فشرده کردن آن به وسیله طبقه فن های متوالی و سپس انفجار و عبور گازهای حاصله از توربین کار می کنند. در حقیقت کمپرسور وسیله کمپرس کردن هوا به شمار آمده و توربین نیز ادامه کار کمپرسور را به وسیله تبدیل انرژی گازهای داغ به انرژی مکانیکی تضمین می کند. در سرعت های بالای سه ماخ که موتورهای توربوجت کارایی خود را تقریباً از دست می دهند و دستیابی به سرعت های بالاتر توسط چنین موتورهایی امکان ناپذیر است، ما با پدیده ای به نام «رم افکت - Ram Effect» مواجه هستیم.








نمای ساده طرز کارکرد یک موتور رم جت


رم افکت به معنای فشرده شدن و تراکم خودبخودی هوا در اثر حرکت وسیله متحرک با سرعت بسیار بالا است. پدیده رم از سرعت های نزدیک به 500 کیلومتر بر ساعت خود را نمایان می کند اما تا سرعت های بالای سرعت صوت و گاه تا سرعت های بالای سه ماخ به حداکثر کارایی خود نمی رسد. در این چنین سرعت هایی، فشرده شدن هوا به حدی است که به راحتی می تواند ضریب تراکم لازم برای کارکرد یک موتور جت احتراق داخلی را فراهم آورد. اگر به موتور توربوجت مان بازگردیم، می بینیم که با وجود پدیده رم، دیگر وجود کمپرسور بی معنی است. اگر کمپرسوری وجود نداشته باشد، پس توربینی هم برای چرخاندن این کمپرسور لازم نیست. حذف مجموعه کمپرسور و توربین و شفت اصلی، در حقیقت حذف کلیه مجموعه متحرک موتور جت است چون غیر از این قطعات، قطعه های اصلی دیگری در موتور حرکت ندارند. نتیجه کار یک لوله تو خالی با یک ورودی، محفظه احتراق و خروجی است که همان موتور رم جت نام دارد و نام این موتورها هم از شیوه کارکردشان گرفته شده است. در سرعت های بالا، هوا با سرعت زیادی وارد ورودی موتور می شود. در این قسمت، بخشی به نام دیفیوزر تعبیه شده است که این بخش عمدتاً یک شی مخروطی شکل در دهانه موتور است. این وسیله وظیفه دارد تا با تولید امواج ضربه ای، هوای ورودی را به سرعت زیر صوت برساند چرا که می دانیم که در چنین موتورهایی احتراق در سرعت مافوق صوت ممکن نیست. با تقلیل سرعت هوا، همان پدیده رم افکت بار دیگر نمایان می شود و انرژی جنبشی هوا، تبدیل به فشار و حرارت بیشتر می شود و همین مسئله تراکم هوای لازم برای احتراق را به وجود می آورد. طراحی دیفیوزر و ورودی موتورهای رم جت از بالاترین اهمیت برخوردار است و باید به گونه ای کاملاً مهندسی و مطالعه شده طراحی گردد تا بتواند از پدیده رم افکت نهایت استفاده را ببرد.


پس از فشرده شدن هوا در این قسمت و تقلیل سرعت آن به سرعت زیر صوت، هوا وارد محفظه ی احتراق می شود. در محفظه ی احتراق هوا با سوخت مخلوط گشته و احتراق به وسیله شمع شروع می شود. پس از این قسمت، قسمتی بسیار حائز اهمیت در موتورهای رم جت وجود دارد که شعله نگه دار یا Flame Holder نامیده می شود. اهمیت این بخش از آن جهت است که این قسمت وظیفه همسان و هماهنگ سازی شعله احتراق برای بهترین کارایی موتور را دارد. پس از احتراق، هوای مشتعل شده از شعله نگه دار عبور کرده و سپس از خروجی موتور خارج می شود و بدین ترتیب نیروی جلو برنده یا همان تراست را به وجود می آورد. در موتورهای توربوجت معمولی حدود 85% انرژی گازهای خروجی صرف گرداندن توربین می شد، در حالی که در موتورهای رم جت کلیه نیرو و انرژی گازهای خروجی به نیروی تراست تبدیل می شود و این خود یکی از نشانه های کارائی بسیار بالا در سرعت های مافوق صوت است. ناگفته نماند چون در موتورهای رم جت دیگر محدودیت های دمای ورودی توربین وجود ندارد، این موتورها می توانند در دماهای بالاتری، در حدود 2100 درجه سانتیگراد نسبت به موتورهای جت دیگر کار کنند.






موتور رم جت چگونه ساخته شد


ایده موتورهای رمجت نخستین بار به وسیله رنه لورین فرانسوی مطرح شده و رنه لدوک دنباله این طرح را پیگیری نمود، اگر چه تحقیقات وی به شدت تحت تاثیر اشغال فرانسه در جنگ جهانی دوم قرار گرفت. ویلیام آوری از دیگر کسانی بود که در زمینه موتورهای رم جت اینبار در ایالات متحده فعالیت می کرد. مدل 010 لدوک نخستین هواپیمای مجهز به موتورهای رم جت بود که در سال 1949 ساخته شد. موتورهای رم جت یک نقص بسیار بزرگ دارند: این موتورها قادر نیستند در سرعت های پایین یا در شرایط ساکن روشن شوند و برای استارت نیاز به سرعت اولیه دارند، یعنی همان سرعت عملیاتی. بیشتر موتورهای رم جت از سرعت های بالای سرعت صوت شروع به کار می کنند، اگرچه موتورهایی هم وجود دارند که در سرعت های حدود 700 کیلومتر بر ساعت هم می توانند روشن شوند، اما کارایی چندانی ندارند. این موتورها اغلب توسط هواپیمای مادر به سرعت عملیاتی رسیده و به محض آنکه شرایط کارکرد موتور آماده شود، موتور روشن می شود. به همین علت موتورهای رم جت بیشتر در موشک ها به کار می روند و هنوز کاربرد وسیعی در زمینه هواپیمایی ندارند.
در موشک های مجهز به موتوهای رم جت نیز ابتدا موشک به وسیله راکت بوستر به سرعت مورد نظر رسیده و سپس موتور رم جت روشن می شود. موشک کراگ روسی که برای نخستین بار در سال 1967 به پرواز در آمد، از نمونه موشک های مجهز به موتور رم جت است. این موشک توسط چهار بوستر کمکی راکتی به سرعت مطلوب رسیده و سپس موتور رم جت با سوخت مایع شروع به کار می کند و قادر است با سرعتی بیش از چهار برابر سرعت صوت اهدافی را از فاصله پنجاه کیلومتری هدف بگیرد. موتورهای توربو رم جت از مشتقات اصلی موتورهای رم جت هستند. این موتورها ترکیبی از موتورهای توربوجت و رمجت می باشند که از موتور توربوجت که به صورت هسته اصلی درون موتور رم جت قرار گرفته است برای سرعت گرفتن تا سرعت های مافوق صوت استفاده شده و پس از آن موتور توربوجت از کار ایستاده و موتور رم جت شروع به فعالیت می نماید. از مورد توجه ترین مثال این گونه موتورها می توان به موتور تاریخی و انقلابی J-58 ساخت شرکت پرات اند ویتنی اشاره کرد که در هواپیمای مشهور SR-71 Blackbird به کار برده شد و موفقیت های بزرگی به دست آورد. این موتور قدرتمند قادر بود پرنده سیاه را به راحتی به سرعت بالای سه ماخ برساند.






یک موتور توربورم جت - به هسته توربوجت درون موتور رم جت توجه کنید




آینده موتورها یا پیشرانه های رم جت


مدتی است که هواپیمای جدید تحقیقاتی ساخت ناسا با نام X-43 جنجال زیادی به پا کرده است. این هواپیما مجهز به موتور جدیدی به نام موتور سکرم جت یا Scramjet یا همان Supersonic Combustion Ram Jet به معنای موتور رم جت با احتراق مافوق صوت است. قبلاً گفتیم که در موتورهای رم جت، برای تکمیل فرآیند احتراق هوای ورودی می بایست به سرعت های زیر صوت برسد. در موتورهای جدید سکرم جت که به دلیل دمای بالای کارکرد از سوخت هیدروژن استفاده می کنند، احتراق در سرعت بالای صوت انجام می پذیرد و تنها تفاوت این نوع موتورها با موتورهای رم جت در همین مسئله است. احتراق در سرعت بالای صوت امکان کارکرد در سرعت های هایپر سونیک یا سرعت های بالای پنج ماخ را برای این گونه موتور ها فراهم کرده است. چنانکه می دانیم هواپیمای بدون سرنشین X-43A در آخرین پرواز آزمایشی خود به سرعت بالای 11 ماخ دست یافت. موتورهای سکرم جت که آینده روشن موتورهای رم جت هستند، قطعاً انقلابی ترین حادثه حمل و نقل هوایی با سرعت های بالا را در چند سال آینده رقم خواهند زد.



مقایسه موتور سکرم جت با موتورهای جت معمولی