موتورهای رم جت،اسکرم جت و پالس جت

نویسنده : محمد حسین محمدی 

موتور های رم جت ( Ram jet)، اسکرم جت ( Scram jet) و پالس جت (Palse jet) هریک با ویژگی و مزایای خاص خود نقش مهمی در پیشرفت فناوری های پروازی ایفا می‌کند.

در این مقاله با هریک از آنها آشنا خواهیم شد.

رم جت (Ram jet) :

موتو های رم جت چیست و چه اصولی در طراحی آن به کار رفته است؟

رم جت ها در چه هواگرد هایی به کار می رود و چه مزایایی نسبت به سایر موتور های جت دارد؟

موتور های رم جت (Ram jet) نمونه ای از موتور های جت (Jet) می‌باشد که به طور ویژه ای برای پرواز در سرعت های بالا (مافوق صوت) طراحی شده و به کار می‌رود.

این موتور به دلیل سادگی و کارایی خود در سرعت بالا، در صنایع هوایی و نظامی کاربرد گوناگونی دارد.

ابتدا به توضیح ویژگی ها و عملکرد آن می‌پردازیم.

رم جت ها از نظر طراحی بسیار ساده تر از سایر موتور های جت می‌باشند و تنها از یک ورودی هوا (Air intake)، یک محفظه احتراق (Combustion chamber) و یک نازل (Nozzle) تشکیل شده اند.

این موتو فاقد از کمپرسور های چرخشی یا محوری میباشد.

به رم جت ها اتودید نیز گفته می شود که به معنای ایروترمودینامیک می باشد. 

نحوه عملکرد :

_ورودی هوا (air intake) : هوای محیط از طریق ورودی موتور به داخل کشیده شده و طراحی ورودی این موتور به این گونه است که سرعت هوا را کاهش داده و فشار آن را افزایش می دهد.

_فشرده سازی هوا (air compression) : هوای ورودی به دلیل طراحی خاص در قسمت ورودی، به صورت صبیعی فشرده می شود.

این فرآیند باعت افزایش فشار هوا (air pressure) و دما (tamperature) می گردد.

_احتراق (Combustion) : در این مرحله سوخت به هوای فشرده شده تزریق(Injection) می شود و احتراق شکل می‌گیرد.

این احتراق باعث تولید گاز های داغ و تحت فشار می شود.

_تولید نیروی رانش (thrust generation) : گاز های داغ و تحت فشار تولید شده به سرعت از نازل موتور خارج می شود.

طراحی نازل به گونه می باشد که گاز ها با سرعت بالا و در جهت مخالف حرکت موتور خارج می‌شود.

بر اساس قانون سوم نيوتن، هر عملی یک واکنش برابر و مخالف دارد.

بنابراين، زمانی که گاز های داغ از نازل خارج می‌شوند، نیرویی به سمت جلو بر موتور (Motor) وارد می‌شود که به آن نیروی رانش گفته می‌شود.

رم جت ها معمولا در سرعت های مافوق صوت (Ultrasonic) کارایی بالایی‌ دارند و می‌تواند نیروی رانش قابل توجهی تولید کند.

کاربرد موتور های رم جت (RAM JET) :

موتور های رم جت معمولا در موشک ها، هواپیماهای تحقیقاتی و برخی از سیستم های هوایی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال :

_موشک ها : رم جت ها به طور گسترده ای در موشک های با سرعت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند، به ویژه در موشک های کروز (Cruise missile) و موشک های هوا به هوا(AAM).

_هواپیما های تحقیقاتی : در گذشته، از رم جت ها در برخی از هواپيماهای تحقیقاتی با سرعت بالا مورد استفاده قرار گرفته اند.

_هدف های هوایی (Drones) : رم جت ها به دلیل سادگی و هزینه کم، در برخی از هدف های هوایی بدون سرنشین نیز کاربرد دارند.

_پهپاد ها : پهپاد های مافوق صوت نیز می‌توانند از موتور های رم جت برای افزایش سرعت و کارایی استفاده کنند.

_تحقیقات فضایی : تحقیقاتی در مورد استفاده از موتور های رم جت برای سفر های فضایی و پرواز های سریع درحال انجام می باشد.

مزایای موتور های رم جت :

1.طراحی ساده (ساختار به صورت ساده و وزن سبک)

2.عدم نیاز به کمپرسور (که باعث کاهش وزن (Weight loss) و پیچیدگی سیستم(System Complexity) می‌شود. 

3.کاربرد های نظامی (مناسب برای موشک ها و هواپیماهای جنگی(

معایب موتور های رم جت :

1.نیاز به سرعت اولیه (برای راه اندازی به سرعت اولیه بالایی نیاز دارد. (

2.عدم کنترل دقیق بر نیروی رانش (کنترل محدود بر تولید نیروی رانش. (

3.حرارت بالا (تولید‌ حرارت زیاد که می‌تواند باعث آسیب به اجزای مختلف شود(.

به طور خلاصه، موتور های رم جت (RAM JET) به دلیل سادگی و توانایی در دستیابی به سرعت های بالا، یک گزینه مناسب برای کاربرد هایی هستند که نیاز به سرعت بالا دارند و امکان استفاده از سیستم پیشرانه کمکی وجود دارد.

این نوع موتور می تواند در آینده به عنوان فناوری کلیدی در پروژه های فضایی و نظامی مورد استفاده قرار گیرد.

تفاوت موتور های رم جت (RAM JET) با اسکرم جت (SCRAM JET) :

اسکرم جت (Scram jet) نمونه ی پیشرفته تری از رم جت ها می باشد که احتراق در آن در سرعت های مافوق صوت (Ramjet supersonic Combustion) انجام می‌شود و برای سرعت های بسیار بالا (هایپرسونیک ) مناسب می باشد.

موتور های رم جت قطعه متحرکی ندارند و از این رو با موتور های پالس جت شباهت دارند و استفاده از آنان به عنوان موتور های ثالث و دوم معمول و رایج است. 

در ادامه به صورت دقیق تری به موتور های اسکرم جت می‌پردازیم.

اسکرم جت (Scram jet) :

اسکرم جت مخفف عبارت (Combustion  Supersonic  Ramjet) می باشد.

این نوع موتور جت، نوعی رم جت می باشد که برای استفاده در سرعت های فرا صوت (سوپرسونیک) طراحی شده است.

عملکرد این موتور به گونه ای است که می تواند در سرعت های بسیار بالا، هوای ورودی را به طور مستقیم در محفظه احتراق خود بسوزاند.

نحوه عملکرد :

_ورودی هوا (Air intake ) : موتور اسکرم جت از یک ورودی هوای خاص بهره می‌برد که به طور مستقیم به محفظه احتراق(Combustion chamber ) متصل است.

در سرعت های مافوق صوت، هوای ورودی به شدت فشرده شده و دما و فشار آن افزایش می یابد.

_فشرده سازی هوا (Air compression ) :  در این مرحله، هوای ورودی به طور طبیعی و بدون نیاز به کمپرسور های مکانیکی فشرده می شود.

این فشرده سازی، به دلیل سرعت بالای هوا و طراحی خاص ورودی‌ موتور انجام می‌شود.

این فرآیند باعت افزایش فشار و دمای هوا می شود.

_احتراق (Combustion ) :  در این مرحله، سوخت تزریق شده و با هوا مخلوط می‌شود و احتراق صورت میگیرد.

این فرآیند برای تولید نیروی رانش بسیار مهم و حیاتی است.

_تولید نیروی رانش (thrust ) :پس از احتراق، گاز های داغ و فشرده شده با سرعت از نازل موتور خارج می شود.

این خروج سریع گاز ها نیروی رانش ایجاد می کند که موتور را به جلو می‌برد.

نازل به گونه ای طراحی شده است که جریان گاز های خروجی به طور موثری هدایت شود و نیروی رانش بیشتری تولید کند.

کاربرد موتور های اسکرم جت (SCRAM  JET) :

موتور های اسکرم جت به دلیل ویژگی های خاص خود، کاربرد های متنوعی دارند. به عنوان مثال :

_پرواز های مافوق صوت : اسکرم جت ها برای پرواز در سرعت های بسیار بالا (بیش از 5 ماخ ) طراحی شده اند و می توانند در ماموریت های نظامی (military) و تحقیقاتی (research) مورد استفاده قرار گیرند.

_هواپیماهای مسافربری مافوق صوت : در آینده، ممکن است از موتور های اسکرم جت در هواپیما های مسافربری مافوق صوت مورد استفاده قرار گیرد که زمان سفر ها را به طور چشم گیری کاهش می دهد. 

_فضاپیما ها : این موتور می تواند به عنوان بخشی از  سیستم فضاپیما مورد استفاده قرار گیرد و در مراحل ابتدایی پرتاب به فضا، به افزایش سرعت کمک کند‌. 

_سلاح های پیشرفته : برخی‌ از سلاح های نظامی مدرن، مانند موشک های مافوق صوت، از موتور های اسکرم جت برای افزایش سرعت و دقت می‌کنند. 

_تحقیقات علمی و فضایی : از موتور های اسکرم جت می توان در پروژه های تحقیقاتی برای برسی جو زمین و دیگر سیارات، به ویژه در شرایط مافوق صوت، استفاده کرد. 

مزایا موتور های اسکرم جت (SCRAM JET ):

1. طراحی ساده (عدم نیاز به کمپرسور های مکانيکی، وزن سبک (

2.کارایی بالا (موتور های اسکرم جت می توانند در شرایط خاص، مصرف سوخت کمتری داشته باشند و در نتیجه کارایی بیشتری ارائه دهند. (

3.قابلیت استفاده از سوخت های مختلف (قابلیت استفاده از سوخت های مختلف مانند هیدروژن (

معایب موتور های اسکرم جت :

1.نیاز به سرعت اولیه (برای شروع عملکرد، این موتور ها نیاز به یک سرعت اولیه بالا دارند که معمولا از طریق یک موتور دیگر یا یک سیستم پرتاب انجام می شود. (

2.چالش های طراحی (ساخت و طراحی موتور های اسکرم جت به دلیل نیاز به مواد مقاوم در برابر دما و فشار بالا، پیچیده و چالش برانگیز است. (

3.عملکرد محدود (این موتور ها فقط در سرعت های مافوق صوت کارایی دارند و در سرعت های پایین یا در حالت سکون نمی‌توانند عمل کنند. (

درنتیجه موتورهای اسکرم‌جت به‌دلیل قابلیت‌های منحصر به فرد خود در پروازهای مافوق صوت، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند و می‌توانند در آینده به‌عنوان بخشی از فناوری‌های پیشرفته هوافضا و سفرهای فضایی مورد استفاده قرار گیرند.

پالس جت (Pulse jet) :

پالس جت نوعی موتور جت می باشد که احتراق در آن به صورت متناوب (Pulse ) انجام می‌شود.

این موتور ها از دریچه هایی برای کنترل جریان هوا و سوخت استفاده می‌کنند و فرآیند احتراق آن به صورت چرخشی انجام می شود.

ساختار :

_محفظه احتراق (Combustion chamber )

_نازل (Nozzle )

_سيستم ورودی هوا ( Air intake system )

نحوه عملکرد :

_مکش (Intake ) : دریچه های ورودی باز می شوند و هوا به داخل لوله ی احتراق مکیده می شود.

_تزریق سوخت (fuel injection) : سوخت به هوای وارد شده تزریق می شود و احتراق انجام می شود.

این احتراق ناگهانی باعت ایجاد فشار و دمای بالا می شود.

_احتراق (Combustion ) :مخلوط هوا و سوخت صورت می گیرد و یک انفجار (Pulse ) کوچیک ایجاد می‌کند.

این انفجار باعث بسته شدن دریچه های ورودی می شود.

_انبساط و خروج (expansion) : گاز های داغ حاصل از احتراق از طریق نازل خروجی با سرعت بالا خارج می شوند و نیروی رانش تولید می‌کنند.

تخلیه و ورود مجدد هوا (exhaust and  air recirculation) : فشار داخل لوله‌ی احتراق کاهش می یابد، دریچه های ورودی مجدد باز می شوند و هوا برای چرخه بعدی مکیده می شود.

این چرخه با فرکانس بالایی تکرار می شود (معمولا ده ها تا صد ها بار در ثانیه ).

کابرد ها :

موتور های پالس جت به دلیل سادگی و کارایی خاص خود در چندین کاربرد استفاده‌ می شوند. به عنوان مثال :

_تجهیزات نظامی : در برخی از سیستم های تسلیحاتی و UAV (پرنده های بدون سر نشین ) مورد استفاده قرار می‌گیرند. 

_دستگاه های تفریحی : مانند جت پک ها و وسایل تفریحی هوایی. 

_راکت ها : در برخی از راکت ها و سیستم های پرتاب برای تولید نیروی پیشرانه 

_موتور های کوچک : در برخی از وسایل نقلیه کوچک 

_هواپیما های تجربی : برای آزمایش و تحقیق در زمینه فناوری های جدید پروازی. 

مزایای موتور های پالس جت :

1.طراحی ساده (ساختار به صورت ساده و بدون پیچیدگی )

2.تولید نیروی پیشرانه بالا  (تولید نیروی پیشرانه بالا در مدت زمان کوتاه) 

3.عملکرد در ارتفاعات پایین (توانایی کار در شرایط جوی مختلف و ارتفاعات بالا )

4.وزن کم (این موتور ها معمولا سبک هستند و برای کاربرد هایی که وزن مورد اهمیت است، مناسب اند. ) 

معایب موتور های پالس جت :

1.صدای زیاد (احتراق پالس دار باعث تولید صدای بلند و مزاحم می شود. )

2.کنترل دشوار (کنترل دقیق بر روی عملکرد و نیروی رانش می تواند چالش برانگیز باشد. (

3.تولید گاز های آلاینده (در مقایسه با دیگر موتور های جت، گاز های آلاینده بیشتری تولید می کند. (

4.عمر محدود دریچه ها (در طرح هایی که دریچه به کار رفته است. (

درنتیجه موتورهای پالس جت به عنوان یک فناوری خاص در صنعت هوافضا و دیگر صنایع کاربرد دارند. در حالی که آن‌ها مزایای خاصی دارند، معایب و محدودیت‌های خود را نیز دارند. به همین دلیل، انتخاب این نوع موتور بستگی به نیازهای خاص پروژه و شرایط عملیاتی دارد.