الفضاء
إعادة التفكير في السفر الفائق السرعة باستخدام محرك الانفجار الدوار-الرام (RRDE)
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الجيل الثالث من دفع الطائرات
منذ أول رحلة لل兄弟 رايت، كان المفهوم المركزي للطيران الميكانيكي هو ضغط الهواء لتوليد الدفع. تم ذلك أولاً باستخدام المراوح المتزايدة الحجم في طائرات الحرب العالمية الأولى والثانية.
الخطوة التالية كانت محرك النفاث، مع أول طائرة تعمل بالنفاثة، Heinkel He 178، التي أُطلقت عام 1939. في محرك النفاث، تقوم الأجزاء المتحركة بضغط الهواء وحقن الوقود لإحداث تأثير احتراق قوي، ثم يُوجه هذا إلى التوربين وفوهة النفاثة لتوليد الدفع.
المصدر: Wikipedia
تم تحسين ذلك لاحقًا باستخدام محرك الرامجيت، حيث يخلق حركة الطائرة ضغط الهواء، مما يسمح بسرعات أعلى. عند تجاوز سرعة معينة، تتحرك الأجزاء المتحركة في محرك التوربوjet بسرعة كبيرة جدًا وتتكسر. أول طائرة استخدمت محرك الرامجيت كانت Leduc 0.10 في عام 1949.
المصدر: Tech Brief
هناك نسخة محسّنة من الرامجيت تُسمى سكريمجيت (محرك رامجيت فوق الصوتي). لا يحتاج هذا المحرك إلى إبطاء الهواء الوارد للاحتراق، بل يحافظ على تدفق الهواء فوق الصوتي ويحقق كفاءة وقود أعلى.
تم تصور السكريمجيت منذ عام 1958 ولكن تم اختباره لأول مرة في عام 2001 في X-43A التابع لناسا. بعد ثلاث سنوات، حققت الطائرة التجريبية سرعات ماخ 6.8 (5,217 ميل/ساعة أو 8,396 كلم/ساعة) وماخ 9.6 (7,366 ميل/ساعة أو 11,854 كلم/ساعة).
كان هذا إنجازًا مثيرًا، لكن تكنولوجيا النفاثات تقترب من حدودها إلى حد ما، كما كان الحال مع المراوح في أوائل القرن العشرين التي لم تستطع تجاوز سرعة معينة.
هذا هو السبب في أن العلماء والمهندسين يتجهون الآن إلى مفهوم مختلف تمامًا: محركات الانفجار الدوار.
محركات الانفجار الدوار
من منظور حراري الديناميكي، الانفجارات أكثر كفاءة من الاحتراق التقليدي (الاحتراق الهادئ). لذا، نظريًا، يمكن استخدامها لحرق الوقود بكفاءة أعلى أو لتحقيق سرعات طيران أعلى.
بالطبع، من الصعب استغلال الانفجارات في دفع طائرة دون أن تنفجر أثناء الطيران.
في محرك الانفجار الدوار، يتم تحقيق ذلك بإنشاء موجات انفجار تدور باستمرار حول حجرة احتراق على شكل حلقة. وبما أن الانفجار يحدث بتردد عالٍ، ينتج عن ذلك دفع شبه مستمر.
المصدر: Air Force Research Laboratory
تم اختبار هذا المحرك بنجاح للمرة الأولى من قبل ناسا في عام 2020.
من المتوقع أن يكون هذا النوع من المحركات أكثر كفاءة بنسبة تصل إلى 25٪ مقارنةً بمحركات النفاثة القائمة على الاحتراق “العادي”. كما أنها لا تحتاج إلى الضاغط الكبير أمام حجرة الاحتراق، مما يوفر وزنًا هائلًا، ومن المرجح أن يعزز ذلك الكفاءة العامة للطائرة.
هذه الأنواع من المحركات أصبحت ممكنة مؤخرًا بفضل المواد المتقدمة. كان العامل المحدد الرئيسي هو قدرة المواد على تحمل درجات حرارة قصوى، وتدفق صدمات مستمر، وتدفق غني بالأكسجين في آن واحد.
هل يمكن أن يكون هناك رامجيت انفجاري؟
عيب كبير في محركات الانفجار الدوار هو أنها تعمل بكفاءة أقل بكثير عند الضغط الجوي. لذا، مشابهًا للرامجيت والسكريمجيت، تحتاج إلى أن تُدفع إلى سرعة فوق صوتية أو فائقة الصوت قبل التفعيل.
الآن، يظهر مفهوم أكثر تقدمًا، وهو محرك الانفجار الدوار-الرام. تم تطويره من قبل علماء صينيين في كلية الهندسة الفضائية بجامعة تسينغوا في بكين. نشروا عملهم في مجلة الطيران الصينية تحت عنوان “التحقيق الأولي في محرك الانفجار الدوار-الرام”.
محرك الانفجار الدوار-الرام (RRDE)
الفكرة الأساسية للـ RRDE هي تثبيت الانفجار داخل دوار عالي السرعة. يقوم قناة التدفق بضغط مزيج الهواء والوقود إلى الظروف المثالية للانفجار، بغض النظر عن سرعة السحب.
المصدر: Chinese Journal of Aeronautics
تُثبت موجة الانفجار في مكانها من خلال موازنة السرعات النسبية لتدفق الهواء الداخل والغازات المتوسعة والصدمات التي تخرج من العادم.
من خلال هذه العملية، تبقى موجة الانفجار ثابتة بالنسبة للشفرات.
المصدر: Chinese Journal of Aeronautics
مزايا RRDE
المرونة
نظرًا لأن المحرك يمكنه تعديل ضغط الهواء، فهو يعمل أكثر كـ توربوjet كلاسيكي من كونه رامجيت، الذي يتطلب سرعة الطائرة لأداء ضغط الهواء.
هذا يعني أن الـ RRDE يمكنه العمل على جميع السرعات، ويمكن أن يعمل كمحرك مستقل. في هذه الحالة، سيحتاج الـ RRDE إلى أن يُطابق مع مكونات السحب والعادم المناسبة، مثل المشتتات القابلة للتعديل، وشفرات التوجيه، والفوهات، لتوسيع نطاق تشغيله المستقر والسيناريوهات الممكنة.
من المحتمل أن يُستخدم أيضًا بالتوازي مع التوربوjet، كما هو الحال في معظم تصاميم الرامجيت والسكريمجيت اليوم.
محركات الطائرات الفائقة السرعة
بحسب التعريف، تسافر موجات الانفجار أسرع من سرعة الصوت، وغالبًا ما تكون أسرع بكثير. من المتوقع أن يولد الـ RRDE موجات انفجار مستقرة يمكن أن تصل إلى رقم ماخ يتراوح بين 4 إلى 6 بالنسبة للتدفق الوارد.
هذا قد يسمح للطائرات المزوَّدة بـ RRDE بأن تكون قادرة على الطيران الفائق السرعة فوق ماخ 5+ (3,836 ميل/ساعة أو 6,174 كلم/ساعة)، بكفاءة أعلى بكثير من محركات الانفجار الأخرى.
ستؤدي الكفاءة الأعلى إلى تقليل تكاليف الوقود وكذلك إتاحة مدى أطول بنفس كمية الوقود. أو زيادة قدرة التحميل لنفس المدى لأن الوقود الأقل وزنًا يُحمل.
من النظرية إلى التطبيق
حتى الآن، يُوجد الـ RRDE فقط كتصميم وقد أثبت نفسه فقط في الاختبارات النظرية والمحاكاة المختبرية.
لذلك لا يزال هناك طريق طويل أمام النموذج الأولي العملي، وطريق أطول نحو إنتاج RRDE تجاريًا وعلى نطاق واسع.
سيتطلب ذلك حل مشكلات واقعية قد لا تكون مأخوذة في الاعتبار في المحاكاة. على سبيل المثال، استغرق وقتًا طويلاً للحفاظ على موجة انفجار ثابتة في قناة حلقة ثابتة لمحركات الانفجار الدوار. الحفاظ على استقرار موجة الانفجار في دوار عالي السرعة سيكون أصعب بكثير.
التحديات في الهندسة وال metallurgy متوقعة أيضًا، حيث سيتطلب المادة المستخدمة أن تكون فائقة الكفاءة.
ستحتاج شفرات الدوار إلى أن تكون خفيفة بما يكفي لتدويرها بسرعة وكفاءة، ولكن قوية بما يكفي لتحمل تدفقات الهواء الداخلة الفائقة الصوتية … بالإضافة إلى الانفجارات المتواصلة بين الشفرات.
شركة محرك الانفجار الدوار
حتى الآن، تم إجراء معظم الأبحاث على هذا النوع الجديد من المحركات من قبل معاهد بحثية عامة، معظمها من الوكالات الفضائية والعسكرية، بما في ذلك ناسا، سلاح الجو الأمريكي، وكالة الفضاء اليابانية (JAXA)، إينرغوماش الروسية، وغيرها.
هناك شركة خاصة واحدة أظهرت قدرتها على بناء محرك انفجار دوار في عام 2023: شركة جنرال إلكتريك.
GE مخطط السعر
جنرال إلكتريك إيروسبيس هي نتيجة تقسيم تكتل GE إلى 3 أجزاء في عام 2024: GE Aerospace (GE ) ، GE HealthCare (GEHC )، وGE Vernova (الطاقة) (GEV ).
تم ذلك لإعادة تركيز الشركة على الكفاءات الأساسية، بعد عدة عقود من المالية التي أثبتت في النهاية أنها سلبية صافية.
الشركة هي مورد أساسي لصناعة الطيران، حيث يسافر حوالي 3 مليارات شخص باستخدام تقنيات GE Aerospace سنويًا، وحوالي 900,000 شخص يطيرون على طائرات تعمل بمحركات GE في أي لحظة (3 من كل 4 رحلات تجارية). تم بناء ذلك على سلسلة من المحركات لجميع أحجام الطائرات وتطبيقاتها.
المصدر: GE Aerospace
على المدى الطويل، من المتوقع أن تُستبدل مجموعة المحركات هذه بجيل جديد يتمتع بكفاءة وقود أعلى، نتيجة لجهود البحث والتطوير طويلة الأمد. قد يتراوح تحسين كفاءة الوقود بين 10-15٪ للطائرات المدنية وحتى 25٪ للطائرات العسكرية.
المصدر: GE Aerospace
إلى جانب المحركات، تقدم الشركة أيضًا تقنية كربيد السيليكون لأنظمة الطاقة الكهربائية، والأنظمة الإلكترونية للطائرات (الإلكترونيات والكمبيوترات).
تُعد الشركة منذ زمن طويل رائدة في أنظمة دفع الطائرات. نشاطها يُقَدَّم أساسًا من القطاع المدني (إيرادات 23.9 مليار دولار في 2023)، يليه قطاع الدفاع (9 مليارات دولار).
70٪ من إيرادات الشركة تُستمد من الخدمات، خاصة صيانة وإصلاح المحركات، مما يجعلها مصدر دخل مستقر للغاية.
(GE.TO )
المصدر: GE Aerospace
تستثمر الشركة في التكنولوجيا المستقبلية للحفاظ على تفوقها، لا سيما الطباعة ثلاثية الأبعاد عبر GE Additive، الشركة الوحيدة المصنعة للمعدات الأصلية في مجال التصنيع المعدني الإضافي التي تقدم حلًا كاملاً من البداية إلى النهاية.
المصدر: GE Aerospace
محرك الانفجار الدوار الخاص بـ GE
كما نوقش سابقًا، حققت GE أيضًا اختبارًا عالميًا لأول محرك رامجيت مزدوج الوضع الفائق السرعة (DMRJ) مع احتراق انفجار دوار (RDC) في تدفق هوائي فوق صوتي.
تم ذلك بفضل إتقان GE لمركبات السيراميك ذات المصفوفة (CMCs) ذات درجات الحرارة العالية، وإلكترونيات الطاقة من كربيد السيليكون، وتقنيات الإضافة، وإدارة الحرارة المتقدمة.
“النتائج الهامة التي حققناها حتى الآن تعطينا الثقة بأننا نسير في الاتجاه الصحيح.
تحرك الفريق بسرعة كبيرة، استغرق الأمر 12 شهرًا فقط من البداية إلى النهاية لاختبار DMRJ مع RDC. الفريق على المسار الصحيح لتحقيق هدفه في إظهار DMRJ كامل مع RDC على نطاق واسع العام المقبل.”
قد تُستخدم محركات فائقة السرعة مثل هذه أولًا في التطبيقات العسكرية المتقدمة، من الطائرات الحربية إلى الصواريخ. لكنها من المحتمل أيضًا أن تدخل إلى طائرات مدنية فائقة السرعة يومًا ما، وستساعد حضور GE في كلا السوقين على الاستفادة من هذه التقنية الناشئة.
بشكل عام، بعد فترة طويلة من كونها تكتلاً بلا اتجاه والتركيز على الهندسة المالية، يبدو أن GE عادت إلى المسار لتعيد تأسيس نفسها كمركز للابتكار الهندسي والتصنيعي الأمريكي، في وقت تتعزز فيه اتجاهات إعادة التصنيع وإعادة التوطين.
