موتورهای رم جت

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.
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 FlameHolder 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

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.

آینده 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 RamJet 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 رادرچند سال آینده رقم خواهند زد.

مبنای کارکرد اسکرم جت

تمامی موتورهای اسکرمجت یک دهانه ورودی دارند که هوای ورودی را متراکم میکند .. افشانکهای سوخت ، محفظه احتراق و شیپوره ، بخشهای دیگر موتور اسکرم جت هستند . برای داشتن یک جریان همگن دراحتراق،جداکننده ای نیزبین ورودی ومحفظه احتراق به کارمی رود .
اسکرم جت در واقع یک رمجت است . در رمجت، جریان هوای ورودی فراصوت (به موتور ) در ورودی به جریان فروصوت تبدیل میشود . سپس از میان یک شیپوره عبور داده شده تا برای تولید پیشرانش به سرعت فراصوت برسد .این کاهش شتاب موجب ازدست دادن مقداری از آنتالپی کلی شده که به نوبه خود کارایی موتور رمجت را پایین میآورد .
با برقراری جریان فراصوت به جای جریان فروصوت ،مقدار کمتری از آنتالپی کل از دست می رود و بنابر این کارایی اسکرم جت در مقابل رمجت افزایش می یابد . در واقع طراحی اسکرم جت برای کاهش هرچه بیشتر نیروی پسا و افزایش نیروی برا است .