موتورهای رم‌جت و اسکرم‌جت

سیستم‌های پیشرانشی هایی به طور عمده در دو دسته به نام‌های موتور هواتنفسی و موتورهای غیرهواتنفسی طبقه‌بندی می‌شوند. به بیان ساده‌تر موتورهای هواتنفسی به پیشرانه‌هایی گفته می‌شود که برای فرآیند احتراق از هوای موجود در اتمسفر استفاده می‌کنند. مفهوم مصرف هوای موجود در اتمسفر بدین صورت است که موتور ضمن مکیدن هوای اتمسفری از طریق ورودی هوای خود، از این هوا برای احتراق و سایر فرآیندها استفاده می‌کند.

موتور رم‌جت «Ramjet» یک موتور هواتنفسی است که هیچ جزء گردنده‌ای(توربوماشین) در ساختار خود ندارد. از این موتورها نمی‌توان در حالت ایستا استفاده کرد، چرا که هیچ گونه اجزای چرخنده‌ای در ساختار خود ندارند که هوا را برای احتراق فشرده سازد. موتور اسکرم‌جت نیز در واقع نمونه‌ای پیچیده‌تر از رم‌جت است که همانند آن هیچ جزء دورانی در ساختار خود ندارد. در موتورهای رم‌جت و اسکرم‌جت، نیروی رانش بدون نیاز به هرگونه جزء گردان و با استفاده از هوای موجود در جو، در مقادیر ماخ بالا تولید می‌شود. فرآیند احتراق نیز زمانی انجام می‌شود که سرعت جریان اکسیدکننده (هوا) در محدوده فراصوتی باشد(که چنین شرایطی در موتورهای توربین گازی روی نمی‌دهد). این موارد بیان‌گر ویژگی‌ها و مشخصات رم‌جت و اسکرم‌جت می‌باشد. یک موتور رم‌جت هیچ گونه کمپرسور، توربین یا توربوماشینی در ساختار خود ندارد و در واقع از حرکت رو به جلوی خود برای هل دادن هوا استفاده می‌کند(بنابراین برای مکش هوا، موتور حتماً باید در حال حرکت در سرعت‌های بالا باشد)؛ بنابراین رمجت‌ها نمی‌توانند در شرایط ساکن، نیروی رانشی تولید کنند. کارایی موتور رم‌جت در سرعت‌های 5/2 تا ۵ ماخ بسیار بالا بوده و در عوض در مقادیر ماخ کمتر از5/2 و نیز سرعت‌های مادون صوت راندمان چندانی نخواهد داشت. موتور اسکرم‌جت نیز در مقادیر سرعت ماخ فراتر از ۵ بسیار کارآمد است و در مقادیر عدد ماخ پایین‌تر از ۵ چندان کارآمد نیست. اجزای اصلی در موتورهای رم‌جت و اسکرم‌جت شامل بخش‌های مکش هوا، تزریق سوخت، تثبیت‌کننده شعله، محفظه احتراق و نازل می‌باشد. از آن‌جایی که هر دوی این موتورها به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا در سرعت‌های فراصوتی پرواز کنند، شکل ورودی جریان هوای این موتورها به صورت همگرا است که سرعت جریان فراصوت را کاهش و فشار را افزایش می‌دهد. در موتور رم‌جت، شکل محفظه احتراق به صورت همگرا است و گاهی این محفظه احتراق تنها یک کانال موازی است که فرآیند احتراق در فشار ثابت در آن صورت می‌گیرد. همان‌طور که جریان هوا به صورت پیوسته از ورودی هوا وارد موتور و محفظه احتراق می‌شود، باید مانعی در مسیر جریان هوا برای ممانعت از خاموش شدن شعله احتراق وجود داشته باشد؛ همان‌گونه که در شکل  ذیل توضیحات بخش رم‌جت که در ادامه آورده شده نیز قابل مشاهده است، این مانع تحت عنوان تثبیت‌کننده شعله یا شعله‌نگهدار شناخته می شود.

عملکرد رم‌جت:

در سرعت‌های فراصوت، می‌توان از سامانه پیشران رم‌جت به صورت کاملاً کارآمد استفاده نمود. این موتور با استفاده از نیروی رانش موتور خارجی(یک سامانه پیشران دیگر) مقدار اندازه حرکت اولیه مورد نیاز را بدست می‌آورد(محدوده سرعت فراصوتی) تا در نتیجه هوای موجود در جو با سرعتی فراصوتی وارد بخش مکش موتور شود. به دلیل شکل دهانه ورودی موتور، هوا در بخش مکش یا ورودی متراکم(فشرده‌سازی داخلی و خارجی) می‌شود. فشرده‌سازی داخلی یعنی هوا در داخل موتور یا قسمت مکش متراکم می‌شود و فشرده‌سازی خارجی به معنای تراکم هوا خارج از بخش مکش است.

جریان فراصوت هوا نوعی موج ضربه ای را در قسمت ورودی هوای موتور ایجاد می کند و این موج ضربه ای که در نزدیکی لبه ورودی به وجود می آید وارد ورودی هوا شده و تحت بازتاب‌های متعددی قرار می‌گیرد. هوایی که از این موج ضربه ای عبور می کند، دچار تغییراتی در خواص خود مانند افزایش فشار، کاهش سرعت و افزایش دما و چگالی می شود؛ به این پدیده فشرده سازی داخلی می گویند. سطح مقطع ورودی هوا باعث می‌شود که جریان(به دلیل سرعت فراصوتی خود) پیش از رسیدن به ورودی فشرده شود؛ به این پدیده نیز فشرده‌سازی خارجی جریان هوا گفته می‌شود. این دو پدیده (فشرده سازی داخلی و خارجی) در مورد موتورهای اسکرم جت نیز صدق می کنند.

در موتور رم جت، سوخت به همان شیوهای تزریق می شود که این عمل در موتورهای توربین گازی صورت می پذیرد؛ اما در اسکرمجتها، سوخت یا از طریق دیواره ها تزریق می شود و یا با استفاده از یک سری چیدمان خرپا مانند که دارای ساختار نگهدارنده شعله نیز هستند. عموما از هیدروژن به عنوان سوخ    ت استفاده می شود، با این حال می توان از سوخت های هیدروکربنی بر پایه ی نفت سفید مانند 4-JP ،5-JP و 10-JP  در این موتورها استفاده کرد. با بهره‌گیری از سوخت های مایع با تراکم بالا نیز می توان از حجم موجود بهتر استفاده نمود.

عملکرد اسکرم‌جت:

اسکرم‌جت که نام این موتور از واژه «Supersonic Combustion Ramjet» گرفته شده در واقع یک موتور رم‌جت احتراقی فراصوت است و به عبارتی تحت عنوان یک نمونه پیشرفته‌تر از موتور رم‌جت شناخته می‌شود. در یک موتور اسکرم‌جت، هوا در بخش مکش یا ورودی موتور جریان پیدا می‌کند که این امر منجر به افزایش فشار و دما و کاهش سرعت جریان می‌گردد. در این نوع موتور، احتراق مخلوط سوخت و هوا در سرعت فراصوت روی می‌دهد که این موضوع موجب کارایی بهتر موتور می‌گردد؛ چرا که مقدار بالایی از تکانه هوا در تمام موتور به وجود می‌آید(بدون کاهش سرعتی که در رمجت‌ها با آن رو به رو بودیم). در موتور اسکرم‌جت، بنابر نوع سوخت مصرفی (هیدروژن)، نیاز به فرآیند احتراق نسبتاً کمتر است.

اندازه حرکت اولیه موتور از طریق یک سری منابع پیشران خارجی برای رسیدن به سرعت مورد نیاز حاصل می‌شود. هوای موجود در جو وارد بخش مکش هوا شده و در اثر تراکم داخلی و خارجی، فشرده می‌شود. به این نوع فشردگی کوبش یا رمینگ هم می‌گویند. سرعت هوا پس از گذر از بخش مکش، هنوز هم در محدوده فراصوت قرار دارد با این تفاوت که فشار و دمای آن در مقایسه با میزان فشار و دمای پیش از این مرحله بیش‌تر شده است. شرایط جریان اولیه از قسمت مکش هوا تا محفظه احتراق به اندازه کافی مساعد هست که در محفظ احتراق، احتراق کامل مخلوط هوا و هیدروژن(به گونه‌ای مؤثر بدون کم شدن سرعت هوا تا محدوده مادون صوت) انجام شود.

طبق شکل زیر که طرحی از یک موتور اسکرم‌جت را نمایش می‌دهد، محفظه احتراق به شکل واگرا است که همین موضوع از افزایش فشار اضافه جلوگیری نموده و جریان گاز حاصل از احتراق را تسریع می‌کند. البته می‌توان با افزودن اکسیژن به عنوان اکسیدکننده، فرآیند احتراق را کارآمدتر کرد. در این نوع موتور، افزودن اکسیژن در مقایسه با افزودن هیدروژن، کارایی موتور را تا 5/1 برابر بیش‌تر می‌کند. عملکرد محفظه احتراق را نیز به دو روش می‌توان بهبود بخشید؛ با دمای داغ ورودی محفظه احتراق و نیز با افزودن یک سیستم جرقه‌زنی پیشرفته به اسکرم‌جت که این سیستم جرقه‌زنی قادر خواهد بود تاخیر در احتراق را از بین ببرد و در نتیجه گازهای حاصل از احتراق با سرعت بیش‌تری از نازل خارج شوند. در پایان تمام این فرآیندها، موتور اسکرم‌جت قادر خواهد بود تا با سرعتی فراصوت و حتی فراتر از آن پرواز کند.

موتور ترکیبی رم-راکت

یک موتور رم-راکت، به گونه‌ای طراحی شده که از هـوای موجود در جو زمین به عنوان اکسید کننده استفاده کند. فشردگی جریان در این موتور از طریق کوبش و نیز تراکم داخلی و خارجی روی خواهد داد. موتور راکتی این پیکربندی می‌تواند از انواع سوخت جامد و یا سوخت مایع باشد. این سامانه زمانی کاربرد خواهد داشت که راکت در جو زمین پرواز کند و نیروی جلوبرندگی اولیه آن از طریق چند سیستم پیشران تأمین شود.

در موتور رم-راکت سوخت جامد، هوا ضمن مکش از داخل جو و فشرده شدن تا میزان فشار خاصی، به سمت محفظه احتراق هدایت می‌شود و در نهایت در تماس با سوخت جامد و انرژی احتراق قرار می‌گیرد. تأمین پیوسته هوا باعث می‌شود تا فرآیند احتراق به صورت پایدار و دائمی در محفظه احتراق ادامه داشته باشد. بدین منوال می‌توان از استفاده از سوخت‌های دوگانه اجتناب نمـود. هـوای آزاد نیز به احتراق کامل سوخت کمک می کند.

در موتور رم-راکت سوخت مایع نیز سوخت مایع در یک مخزن جداگانه ذخیره شده و اکسید کننده مورد نیاز برای فرآیند احتراق از جو گرفته می‌شود. فشار جو برای انجام فرآیند احتراق کافی نیست، بنابراین بایستی تا جریان هوا را پیش از ورود به محفظه احتراق فشرده کرد. سوخت مایع نیز با استفاده از انژکتورهای سوخت اسپری می‌شود. در این سامانه پیشران، هوا به گونه‌ای هدایت می‌شود تا با سوخت مایع ترکیب شده و سپس با ایجاد اثر اغتشاشی به تداوم فرآینـد احـتـراق کمک می‌کند.

موتور توربو رم‌جت

نوعی موتور رم‌جت نیز وجود دارد که با موتور توربین گازی ترکیب شده و موتور “توربو رم‌جت” نامیده می‌شود. در این نوع موتور، بخش ورودی هوا مشابه موتور رم‌جت بوده که پس از آن توربوماشین‌ها و محفظه احتراق موتور توربین گازی قرار دارد. بخش ورودی هوای رم‌جت به فشرده‌سازی هوا کمک شایانی خواهد کرد و از بار روی کمپرسور خواهد کاست. با توجه به نوع ترکیب این موتور، هواپیماهای مجهز به توربو رم‌جت قادر خواهند بود تا با سرعت بسیار زیاد(عدد ماخ ۳) و کارایی بالا به پرواز درآیند. ابتدا برای شروع پرواز خلبان موتور توربوفن را روشن می‌کند تا انرژی لازم برای برخاست به وجود آید. سپس بعد از این که موتور هواپیما به سرعت ۱ ماخ یا نزدیک به آن رسید خود به خود موتور توربوفن خاموش شده و دریچه آن بسته می‌شود. سپس باد موجود وارد همان موتور گشته ولی بجای ورود به داخل توربوفن، از کنار آن عبور و به داخل موتور رم‌جت می‌رود و در همان حال است که با فشار موجود در هوا، موتور روشن شده و در عرض ۱۵ ثانیه هواپیما از یک ماخ به 5/3 الی ۷ ماخ می‌رسد. موتور هواپیمای «71-SR» نمونه‌ای از بهره‌گیری از این مدل موتورها است.