موضوع مقاله: اسکرم‌جت | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # اسکرم‌جت | مقدمه: اسکرم‌جت‌ها، همانند رم‌جت‌های معمولی، برای فشرده‌سازی شدید هوای ورودی قبل از احتراق، به سرعت بسیار بالای خود وسیله نقلیه هوایی نظامی متکی هستند (به همین دلیل به آن رم‌جت یا «جت کوبشی» می‌گویند)، اما در حالی که یک رم‌جت معمولی با استفاده از ساختارهایی مانند مخروط ضربه‌ای، جریان هوای ورودی را به سرعت زیرصوت (subsonic) کاهش می‌دهد، یک اسکرم‌جت فاقد مخروط ضربه‌ای است و جریان هوا را با استفاده از امواج ضربه‌ای (shockwaves) تولید شده توسط منبع احتراق خود به جای مخروط ضربه‌ای کند می‌کند.تحلیل فرایند احتراق در یک اسکرم‌جت با نرخ سوخت‌رسانی پایین و بالا، گرت دانلپ، الیاس فکادو، بن گروو، نیک گابسا، کنت یو، کامیلو مونوز، جیسون بر. | ## بخش 1: اسکرم‌جت | این ویژگی به اسکرم‌جت اجازه می‌دهد تا در سرعت‌های فوق‌العاده بالا به‌طور کارآمد عمل کند. اگرچه موتورهای اسکرم‌جت در تعداد محدودی از وسایل نقلیه نظامی عملیاتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، اما تاکنون عمدتاً در سطح نمونه‌های تحقیقاتی و وسایل نقلیه آزمایشی باقی مانده‌اند. تاریخچه پیش از سال ۲۰۰۰ هواپیمای بل ایکس-۱ در سال ۱۹۴۷ به پرواز اَبَرصوت دست یافت و تا اوایل دهه ۱۹۶۰، پیشرفت سریع به سوی هواپیماهای سریع‌تر، این تصور را ایجاد کرد که هواپیماهای عملیاتی ظرف چند سال آینده با سرعت‌های «هایپرسونیک» پرواز خواهند کرد. به استثنای وسایل نقلیه تحقیقاتی تخصصی موشکی مانند نورث امریکن ایکس-۱۵ و سایر فضاپیماهای موشکی، حداکثر سرعت هواپیماها به‌طور کلی در محدوده ماخ۱ تا ماخ۳ باقی مانده است. در طول برنامه هوافضای ایالات متحده، بین دهه ۱۹۵۰ و اواسط دهه ۱۹۶۰، الکساندر کارتولی و آنتونیو فری از حامیان رویکرد اسکرم‌جت بودند. در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰، انواع موتورهای اسکرم‌جت آزمایشی در ایالات متحده و بریتانیا ساخته و تحت آزمایش زمینی قرار گرفتند. آنتونیو فری در نوامبر ۱۹۶۴ با موفقیت یک اسکرم‌جت را به نمایش گذاشت که نیروی پیشران خالص تولید می‌کرد و به نیرویی معادل ۵۱۷ پوند-نیرو (۲٫۳۰ کیلونیوتن) رسید که حدود ۸۰٪ از هدف او بود. در سال ۱۹۵۸، یک مقاله تحلیلی به بررسی مزایا و معایب رم‌جت‌های با احتراق اَبَرصوت پرداخت. داگر بر اساس پایان‌نامه دکترای بیلیگ، درخواست ثبت اختراع یک رم‌جت با احتراق اَبَرصوت را ارائه دادند. در سال ۱۹۸۱، آزمایش‌هایی در استرالیا تحت هدایت پروفسور ری استاکر در تأسیسات آزمایش زمینی T3 در دانشگاه ملی استرالیا (ANU) انجام شد. اولین آزمایش پروازی موفق یک اسکرم‌جت به عنوان یک تلاش مشترک با ناسا، بر فراز اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۹۱ انجام شد. این یک اسکرم‌جت دو حالته با سوخت هیدروژن و متقارن محوری بود که توسط مؤسسه مرکزی موتورهای هوایی (CIAM) مسکو در اواخر دهه ۱۹۷۰ توسعه یافته بود، اما با استفاده از یک آلیاژ FeCrAl بر روی یک موشک SM-6 تبدیل شده مدرن‌سازی شد تا پیش از فعال شدن اسکرم‌جت، به پارامترهای پرواز اولیه ماخ ۶٫۸ برسد، و سپس اسکرم‌جت در ماخ ۵٫۵ پرواز کرد. سپس، از سال ۱۹۹۲ تا ۱۹۹۸، شش آزمایش پروازی دیگر از نمونه نمایشی اسکرم‌جت پرسرعت متقارن محوری توسط CIAM به همراه فرانسه و سپس با ناسا انجام شد. در این آزمایش‌ها به حداکثر سرعت پرواز بیش از ماخ۶٫۴ دست یافته شد و عملکرد اسکرم‌جت برای مدت ۷۷ ثانیه به نمایش گذاشته شد. این سری از آزمایش‌های پروازی همچنین بینش‌هایی را در مورد کنترل‌های پرواز هایپرسونیک خودکار فراهم آوردند. در دهه ۲۰۰۰، پیشرفت‌های چشمگیری در توسعه فناوری هایپرسونیک، به ویژه در زمینه موتورهای اسکرم‌جت، حاصل شد. با این حال، این موتور برای تأمین نیروی پیشران برای یک وسیله نقلیه طراحی نشده بود. یک تیم مشترک بریتانیایی و استرالیایی از شرکت دفاعی بریتانیایی Qinetiq و دانشگاه کوئینزلند اولین گروهی بودند که عملکرد یک اسکرم‌جت را در یک آزمایش جوی به نمایش گذاشتند. هایپر ایکس Hyper-X ادعا کرد که اولین پرواز یک وسیله نقلیه با موتور اسکرم‌جت تولیدکننده نیروی پیشران و با سطوح مانور آیرودینامیکی کامل را در سال ۲۰۰۴ با ایکس-۴۳اِی انجام داده است. آخرین آزمایش از سه آزمایش اسکرم‌جت ایکس-۴۳اِی برای مدت کوتاهی به سرعت ماخ۹٫۶ دست یافت. در ۱۵ ژوئن ۲۰۰۷، آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده (DARPA)، با همکاری سازمان علوم و فناوری دفاعی استرالیا (DSTO)، یک پرواز موفق اسکرم‌جت با سرعت ماخ۱۰ را با استفاده از موتورهای راکتی برای رساندن وسیله آزمایشی به سرعت‌های هایپرسونیک اعلام کرد. مجموعه‌ای از آزمایش‌های زمینی اسکرم‌جت در تأسیسات آزمایش اسکرم‌جت قوس-گرمایشی لنگلی (AHSTF) ناسا در شرایط پروازی شبیه‌سازی شده ماخ۸ تکمیل شد. این آزمایش‌ها برای پشتیبانی از پرواز ۲ های‌فایر (HIFiRE) مورد استفاده قرار گرفتند. در ۲۲ مه ۲۰۰۹، وومرا میزبان اولین پرواز آزمایشی موفق یک هواپیمای هایپرسونیک در برنامه های‌فایر (HIFiRE - آزمایش تحقیقاتی پرواز بین‌المللی هایپرسونیک) بود. این سری از پروازها بخشی از یک برنامه تحقیقاتی مشترک بین سازمان علوم و فناوری دفاعی و نیروی هوایی ایالات متحده است که با نام های‌فایر (HIFiRE) شناخته می‌شود. های‌فایر در حال تحقیق بر روی فناوری هایپرسونیک و کاربرد آن در وسایل نقلیه پرتاب فضایی پیشرفته با موتور اسکرم‌جت است؛ هدف، پشتیبانی از نمایشگر اسکرم‌جت جدید بوئینگ ایکس-۵۱ و همچنین ایجاد یک پایگاه داده قوی از آزمایش‌های پروازی برای توسعه پرتاب‌های فضایی واکنش-سریع و سلاح‌های «ضربت-سریع» هایپرسونیک است. دهه ۲۰۱۰ در ۲۲ و ۲۳ مارس ۲۰۱۰، دانشمندان دفاعی استرالیایی و آمریکایی با موفقیت یک راکت هایپرسونیک (HIFiRE) را آزمایش کردند. این راکت پس از برخاستن از میدان آزمایش وومرا در مناطق دورافتاده استرالیای جنوبی به سرعت جوی «بیش از ۵۰۰۰ کیلومتر بر ساعت» (ماخ۴) رسید. در ۲۷ مه ۲۰۱۰، ناسا و نیروی هوایی ایالات متحده با موفقیت ایکس-۵۱اِی ویو رایدر را برای تقریباً ۲۰۰ ثانیه با سرعت ماخ۵ به پرواز درآوردند و رکورد جهانی جدیدی برای مدت زمان پرواز با سرعت هایپرسونیک به ثبت رساندند. ویو رایدر به صورت خودکار پرواز کرد تا اینکه به دلیلی نامعلوم شتاب خود را از دست داد و طبق برنامه خود را نابود کرد. ایکس-۵۱اِی بر روی یک بی-۵۲ حمل شد، با یک بوستر راکتی سوخت جامد به سرعت ماخ۴٫۵ رسید و سپس موتور اسکرم‌جت پرت اند ویتنی راکت‌داین را برای رسیدن به سرعت ماخ۵ در ارتفاع روشن کرد. با این حال، پرواز دوم در ۱۳ ژوئن ۲۰۱۱ به‌طور پیش از موعد پایان یافت، زیرا موتور برای مدت کوتاهی با اتیلن روشن شد اما نتوانست به سوخت اصلی خود جی‌پی-۷ منتقل شود و به قدرت کامل نرسید. در ۱۶ نوامبر ۲۰۱۰، دانشمندان استرالیایی از دانشگاه نیو ساوت ولز در آکادمی نیروی دفاعی استرالیا با موفقیت نشان دادند که جریان پرسرعت در یک موتور اسکرم‌جت که به‌طور طبیعی احتراق نمی‌کند، می‌تواند با استفاده از یک منبع لیزر پالسی مشتعل شود. تلاش برای پرواز اسکرم‌جت برای مدت طولانی با سرعت ماخ۶ زمانی کوتاه شد که تنها پس از ۱۵ ثانیه از پرواز، وسیله ایکس-۵۱اِی کنترل خود را از دست داد و متلاشی شد و در اقیانوس آرام در شمال غربی لس آنجلس سقوط کرد. در مه ۲۰۱۳، یک ایکس-۵۱اِی ویو رایدر در طول یک پرواز شش دقیقه‌ای با قدرت اسکرم‌جت به سرعت ۴۸۲۸ کیلومتر بر ساعت (ماخ۵٫۱) رسید. ویو رایدر از ارتفاع از یک بمب‌افکن بی-۵۲ رها شد و سپس با یک بوستر راکتی سوخت جامد به سرعت ماخ۴٫۸ رسید که قبل از فعال شدن موتور اسکرم‌جت ویو رایدر، از آن جدا شد. در ۲۸ اوت ۲۰۱۶، آژانس فضایی هند ایسرو یک آزمایش موفق موتور اسکرم‌جت را بر روی یک راکت دو مرحله‌ای با سوخت جامد انجام داد. دو موتور اسکرم‌جت دوقلو بر روی پشت مرحله دوم یک راکت ژرفاسنج دو مرحله‌ای با سوخت جامد به نام وسیله نقلیه فناوری پیشرفته (ATV) نصب شده بودند که راکت ژرفاسنج پیشرفته ایسرو است. موتورهای اسکرم‌جت دوقلو در طول مرحله دوم راکت، زمانی که ATV به سرعت ۷۳۵۰ کیلومتر بر ساعت (ماخ۶) در ارتفاع ۲۰ کیلومتری رسید، مشتعل شدند. در ۱۲ ژوئن ۲۰۱۹، هند اولین پرواز آزمایشی هواپیمای نمایشگر اسکرم‌جت بدون سرنشین و بومی خود را برای پرواز با سرعت هایپرسونیک با موفقیت انجام داد. این آزمایش از پایگاهی در جزیره عبدالکلام در خلیج بنگال حدود ساعت ۱۱:۲۵ صبح انجام شد. این هواپیما بخش مهمی از برنامه این کشور برای توسعه یک سامانه موشک کروز هایپرسونیک را تشکیل می‌دهد. |218x218px در ۲۷ سپتامبر ۲۰۲۱، دارپا پرواز موفقیت‌آمیز موشک کروز اسکرم‌جت خود با نام مفهوم سلاح هوازی هایپرسونیک (HAWC) را اعلام کرد. آزمایش موفقیت‌آمیز دیگری در اواسط مارس ۲۰۲۲ در بحبوحه تهاجم روسیه به اوکراین انجام شد. جزئیات این آزمایش برای جلوگیری از تشدید تنش با روسیه مخفی نگه داشته شد و تنها در اوایل آوریل توسط یک مقام ناشناس پنتاگون فاش گردید. در ۲۵ آوریل ۲۰۲۵، DRDO با موفقیت بیش از ۱۰۰۰ ثانیه آزمایش زمینی یک محفظه احتراق اسکرم‌جت کوچک‌شده با خنک‌کاری فعال را به پایان رساند. اصول طراحی موتورهای اسکرم‌جت نوعی موتور جت هستند و برای تولید نیروی پیشران به احتراق سوخت و یک اکسیدکننده متکی هستند. مشابه موتورهای جت معمولی، هواپیماهای مجهز به اسکرم‌جت سوخت را با خود حمل می‌کنند و اکسیدکننده را از طریق مکش اکسیژن جوی به دست می‌آورند (در مقایسه با موشک‌ها که هم سوخت و هم عامل اکسیدکننده را حمل می‌کنند). این الزام، اسکرم‌جت‌ها را به پیشرانش جوی زیرمداری محدود می‌کند، جایی که محتوای اکسیژن هوا برای حفظ احتراق کافی است. اسکرم‌جت از سه جزء اصلی تشکیل شده است: یک ورودی همگرا که در آن هوای ورودی فشرده می‌شود؛ یک محفظه احتراق که در آن سوخت گازی با اکسیژن جوی برای تولید گرما می‌سوزد؛ و یک نازل واگرا که در آن هوای گرم شده برای تولید نیروی پیشران شتاب می‌گیرد. برخلاف یک موتور جت معمولی، مانند موتور توربوجت یا توربوفن، یک اسکرم‌جت از اجزای چرخان و فن‌مانند برای فشرده‌سازی هوا استفاده نمی‌کند؛ بلکه سرعت قابل دستیابی هواپیما در حین حرکت در جو باعث فشرده شدن هوا در داخل ورودی می‌شود. در مقایسه، موتورهای توربوجت معمولی به چندین مرحله روتور کمپرسور جریان محوری چرخان و چندین مرحله توربین چرخان نیاز دارند که همگی به وزن، پیچیدگی و تعداد نقاط شکست بیشتر در موتور می‌افزایند. به دلیل ماهیت طراحی‌شان، عملکرد اسکرم‌جت به سرعت‌های نزدیک به هایپرسونیک محدود می‌شود. از آنجایی که فاقد کمپرسورهای مکانیکی هستند، اسکرم‌جت‌ها برای فشرده‌سازی هوای ورودی به شرایط عملیاتی، به انرژی جنبشی بالای یک جریان هایپرسونیک نیاز دارند؛ بنابراین، یک وسیله نقلیه مجهز به اسکرم‌جت باید با استفاده از ابزارهای پیشرانش دیگری مانند موتورهای توربوجت یا راکتی، به سرعت مورد نیاز (معمولاً حدود ماخ۴) شتاب داده شود. در پرواز آزمایشی بوئینگ ایکس-۵۱اِی مجهز به اسکرم‌جت، این وسیله آزمایشی توسط یک بوئینگ بی-۵۲ استراتوفورترس به ارتفاع پروازی برده شد و سپس قبل از رها شدن، توسط یک راکت جداشدنی تا نزدیک به ماخ۴٫۵ شتاب گرفت. در حالی که اسکرم‌جت‌ها از نظر مفهومی ساده هستند، پیاده‌سازی واقعی آنها با چالش‌های فنی شدیدی محدود شده است. پرواز هایپرسونیک در جو پسای عظیمی ایجاد می‌کند و دماهای مشاهده شده روی هواپیما و داخل موتور می‌تواند بسیار بیشتر از هوای اطراف باشد. | ## بخش 2: اسکرم‌جت | حفظ احتراق در جریان اَبَرصوت چالش‌های بیشتری را به همراه دارد، زیرا سوخت باید در عرض چند میلی‌ثانیه تزریق، مخلوط، مشتعل و سوزانده شود. در حالی که فناوری اسکرم‌جت از دهه ۱۹۵۰ در حال توسعه بوده است، تنها در همین اواخر اسکرم‌جت‌ها با موفقیت به پرواز با نیروی خود دست یافته‌اند. alt=یک نمودار مقایسه‌ای از هندسه‌های مختلف برای بخش‌های تراکم، احتراق و انبساط یک توربوجت، یک رم‌جت و یک اسکرم‌جت. اسکرم‌جت‌ها برای کار در رژیم پروازی هایپرسونیک، فراتر از دسترس موتورهای توربوجت، طراحی شده‌اند و به همراه رم‌جت‌ها، شکاف بین بازده بالای توربوجت‌ها و سرعت بالای موتورهای راکتی را پر می‌کنند. موتورهای مبتنی بر توربوماشین، در حالی که در سرعت‌های زیرصوت بسیار کارآمد هستند، در سرعت‌های تراصوتی به‌طور فزاینده‌ای ناکارآمد می‌شوند، زیرا روتورهای کمپرسور موجود در موتورهای توربوجت برای کار کردن به سرعت‌های زیرصوت نیاز دارند. در حالی که جریان از سرعت‌های تراصوتی تا سرعت‌های پایین اَبَرصوت را می‌توان به این شرایط کاهش داد، انجام این کار در سرعت‌های اَبَرصوت منجر به افزایش شدید دما و افت فشار کل جریان می‌شود. در حدود ماخ۳–۴، توربوماشین‌ها دیگر مفید نیستند و فشرده‌سازی به سبک رم (کوبشی) به روش ارجح تبدیل می‌شود. رم‌جت‌ها از ویژگی‌های سرعت بالای هوا برای «کوبیدن» هوا از طریق یک دیفیوزر ورودی به داخل محفظه احتراق استفاده می‌کنند. در سرعت‌های پروازی تراصوتی و اَبَرصوت، هوای بالادست ورودی نمی‌تواند به سرعت کافی از مسیر خارج شود و قبل از اینکه به محفظه احتراق پخش شود، در داخل دیفیوزر فشرده می‌شود. احتراق در یک رم‌جت با سرعت‌های زیرصوت، مشابه توربوجت‌ها، رخ می‌دهد اما محصولات احتراق سپس از طریق یک نازل همگرا-واگرا به سرعت‌های اَبَرصوت شتاب می‌گیرند. از آنجایی که رم‌جت‌ها هیچ وسیله مکانیکی برای فشرده‌سازی ندارند، نمی‌توانند از حالت سکون شروع به کار کنند و به‌طور کلی تا رسیدن به پرواز اَبَرصوت به فشرده‌سازی کافی دست نمی‌یابند. عدم وجود توربوماشین‌های پیچیده به رم‌جت‌ها اجازه می‌دهد تا با افزایش دمای ناشی از کاهش سرعت یک جریان اَبَرصوت به سرعت‌های زیرصوت مقابله کنند. با این حال، با افزایش سرعت، انرژی داخلی جریان پس از دیفیوزر به سرعت رشد می‌کند، بنابراین افزایش نسبی انرژی به دلیل احتراق سوخت کمتر می‌شود، که منجر به کاهش بازده موتور می‌شود. این امر منجر به کاهش نیروی پیشران تولید شده توسط رم‌جت‌ها در سرعت‌های بالاتر می‌شود. بنابراین، برای تولید نیروی پیشران در سرعت‌های بسیار بالا، افزایش فشار و دمای جریان هوای ورودی باید به شدت کنترل شود. مخلوط کردن سوخت و هوا در این شرایط یک چالش مهندسی قابل توجه است، که با نیاز به مدیریت دقیق سرعت احتراق و در عین حال به حداکثر رساندن افزایش نسبی انرژی داخلی در محفظه احتراق، پیچیده‌تر می‌شود. در نتیجه، فناوری فعلی اسکرم‌جت برای حفظ عملکرد پایدار، به استفاده از سوخت‌های پرانرژی و طرح‌های خنک‌کاری فعال نیاز دارد، که اغلب از هیدروژن و تکنیک‌های خنک‌کاری بازیابانه استفاده می‌کند. تئوری تمام موتورهای اسکرم‌جت دارای یک ورودی هستند که هوای ورودی را فشرده می‌کند، انژکتورهای سوخت، یک محفظه احتراق، و یک نازل پیشران واگرا. گاهی اوقات موتورها شامل منطقه‌ای هستند که به عنوان نگهدارنده شعله عمل می‌کند، اگرچه دمای سکون بالا به این معنی است که ممکن است از ناحیه‌ای از امواج متمرکز استفاده شود، به جای یک قطعه مجزا در موتور همان‌طور که در موتورهای توربینی دیده می‌شود. موتورهای دیگر از افزودنی‌های سوختی پیروفوریک، مانند سیلان، برای جلوگیری از خاموش شدن شعله استفاده می‌کنند. یک جداکننده (isolator) بین ورودی و محفظه احتراق اغلب برای بهبود یکنواختی جریان در محفظه احتراق و گسترش دامنه عملکرد موتور گنجانده می‌شود. تصویربرداری موج ضربه‌ای توسط دانشگاه مریلند با استفاده از تصویربرداری شلیرن مشخص کرد که مخلوط سوخت، فشرده‌سازی را با ایجاد فشار معکوس و امواج ضربه‌ای کنترل می‌کند که هوا را قبل از احتراق کند و فشرده می‌سازد، بسیار شبیه به مخروط ضربه‌ای یک رم‌جت. در یک رم‌جت معمولی، جریان ورودی اَبَرصوت موتور در ورودی به سرعت‌های زیرصوت کاهش می‌یابد و سپس از طریق یک نازل دوباره به سرعت‌های اَبَرصوت شتاب می‌گیرد تا نیروی پیشران تولید کند. این کاهش سرعت، که توسط یک موج ضربه‌ای عمودی ایجاد می‌شود، یک افت فشار کل ایجاد می‌کند که نقطه عملکرد بالایی یک موتور رم‌جت را محدود می‌سازد. برای یک اسکرم‌جت، انرژی جنبشی هوای جریان آزاد ورودی به موتور اسکرم‌جت با انرژی آزاد شده توسط واکنش محتوای اکسیژن هوا با یک سوخت (مثلاً هیدروژن) قابل مقایسه است؛ بنابراین گرمای آزاد شده از احتراق در ماخ۲٫۵ حدود ۱۰٪ از آنتالپی کل سیال کاری است. بسته به سوخت، انرژی جنبشی هوا و گرمای بالقوه احتراق در حدود ماخ۸ برابر خواهد بود؛ بنابراین طراحی یک موتور اسکرم‌جت به همان اندازه که به حداکثر رساندن نیروی پیشران مربوط است، به به حداقل رساندن پسا نیز مربوط می‌شود. از آنجایی که جریان اَبَرصوت است، هیچ تأثیر پایین‌دستی در جریان آزاد محفظه احتراق منتشر نمی‌شود. در عمل، یک بلوک گاز که وارد محفظه احتراق می‌شود باید با سوخت مخلوط شود و زمان کافی برای شروع و واکنش داشته باشد، در حالی که با سرعت اَبَرصوت از طریق محفظه احتراق عبور می‌کند، قبل از اینکه گاز سوخته از طریق نازل پیشران منبسط شود. این امر الزامات سختگیرانه‌ای را بر فشار و دمای جریان اعمال می‌کند و نیازمند آن است که تزریق و مخلوط کردن سوخت بسیار کارآمد باشد. فشار دینامیکی قابل استفاده در محدوده قرار دارد، جایی که که در آن q فشار دینامیکی گاز است ρ (رو) چگالی گاز است v سرعت گاز است برای ثابت نگه داشتن نرخ احتراق سوخت، فشار و دما در موتور نیز باید ثابت باشند. این مسئله مشکل‌ساز است زیرا سیستم‌های کنترل جریان هوا که این امر را تسهیل می‌کنند، به دلیل محدوده سرعت و ارتفاع در یک وسیله پرتاب اسکرم‌جت، از نظر فیزیکی امکان‌پذیر نیستند، به این معنی که باید در ارتفاعی متناسب با سرعت خود حرکت کند. از آنجایی که چگالی هوا در ارتفاعات بالاتر کاهش می‌یابد، یک اسکرم‌جت باید با نرخ مشخصی صعود کند تا در حین شتاب‌گیری، فشار هوای ثابتی را در ورودی حفظ کند. تصور می‌شود که اسکرم‌جت‌ها ممکن است تا ارتفاع ۷۵ کیلومتری قابل بهره‌برداری باشند. یک احتمال این است که سوخت توسط یک توربوپمپ تا فشار ۱۰۰ بار فشرده شود، توسط بدنه هواپیما گرم شود، از طریق توربین عبور کند و توسط یک نازل به سرعت‌هایی بالاتر از هوا شتاب گیرد. جریان هوا و سوخت در یک ساختار شانه‌مانند با هم تلاقی می‌کنند که یک سطح تماس بزرگ ایجاد می‌کند. حداقل عدد ماخ که یک اسکرم‌جت می‌تواند در آن کار کند، با این واقعیت محدود می‌شود که جریان فشرده شده باید به اندازه‌ای داغ باشد که سوخت را بسوزاند و فشار آن به اندازه‌ای بالا باشد که واکنش قبل از خروج هوا از پشت موتور به پایان برسد. علاوه بر این، برای اینکه اسکرم‌جت نامیده شود، جریان فشرده شده باید پس از احتراق همچنان اَبَرصوت باقی بماند. در اینجا دو محدودیت باید رعایت شود: اول، از آنجایی که یک جریان اَبَرصوت هنگام فشرده شدن کند می‌شود، سطح فشرده‌سازی باید به اندازه‌ای کم باشد (یا سرعت اولیه به اندازه‌ای بالا باشد) که گاز را به زیر ماخ۱ نرساند. اگر گاز در داخل یک اسکرم‌جت به زیر ماخ۱ برود، موتور دچار «خفگی» (choke) شده و به جریان زیرصوت در محفظه احتراق منتقل می‌شود. این اثر در میان آزمایش‌کنندگان اسکرم‌جت به خوبی شناخته شده است زیرا امواج ناشی از خفگی به راحتی قابل مشاهده هستند. علاوه بر این، افزایش ناگهانی فشار و دما در موتور می‌تواند منجر به شتاب‌گیری احتراق و در نتیجه انفجار محفظه احتراق شود. دوم، گرم شدن گاز توسط احتراق باعث افزایش سرعت صوت در گاز (و کاهش عدد ماخ) می‌شود، حتی اگر گاز همچنان با همان سرعت حرکت کند. واضح است که یک اسکرم‌جت خالص می‌تواند در اعداد ماخ ۶–۸ کار کند، اما در حد پایین‌تر، این به تعریف اسکرم‌جت بستگی دارد. با این حال، در این محدوده، موتور همچنان نیروی پیشران قابل توجهی از احتراق زیرصوت از نوع رم‌جت دریافت می‌کند. هزینه بالای آزمایش پروازی و در دسترس نبودن تأسیسات زمینی، مانع توسعه اسکرم‌جت شده است. علاوه بر این، تأسیسات ویتیتد (vitiated facilities) (با قابلیت کنترل ناخالصی‌های هوا)، تأسیسات گرمایش ذخیره‌ای، تأسیسات قوسی و انواع مختلف تونل‌های شوک هر کدام محدودیت‌هایی دارند که مانع از شبیه‌سازی کامل عملکرد اسکرم‌جت شده‌اند. آزمایش پروازی HyShot اهمیت شبیه‌سازی ۱:۱ شرایط در تونل‌های شوک T4 و HEG را نشان داد، علی‌رغم داشتن مدل‌های سرد و زمان آزمایش کوتاه. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به موقعیتی رسیده است که بتواند محاسبات معقولی را در حل مشکلات عملکرد اسکرم‌جت انجام دهد. مدل‌سازی لایه مرزی، اختلاط آشفته، جریان دوفازی، جدایش جریان، و آیروترمودینامیک گاز واقعی همچنان مشکلاتی در لبه دانش CFD هستند. طرح‌های واکنش از نظر عددی سخت (stiff) هستند و به طرح‌های واکنش کاهش‌یافته نیاز دارند. چندین گروه، از جمله نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا با موتور SCRAM بین سال‌های ۱۹۶۸ و ۱۹۷۴، و برنامه Hyper-X با X-43A، ادعای نمایش موفقیت‌آمیز فناوری اسکرم‌جت را داشته‌اند. از آنجایی که این نتایج به‌طور عمومی منتشر نشده‌اند، تأیید نشده باقی مانده‌اند و هنوز یک روش طراحی نهایی برای موتورهای اسکرم‌جت وجود ندارد. کاربرد نهایی یک موتور اسکرم‌جت احتمالاً در ترکیب با موتورهایی خواهد بود که می‌توانند خارج از محدوده عملیاتی اسکرم‌جت کار کنند. اسکرم‌جت‌های دو حالته، احتراق زیرصوت را با احتراق اَبَرصوت برای کار در سرعت‌های پایین‌تر ترکیب می‌کنند، و موتورهای سیکل ترکیبی مبتنی بر راکت (RBCC) پیشرانش یک راکت سنتی را با یک اسکرم‌جت تکمیل می‌کنند، که امکان افزودن اکسیدکننده اضافی به جریان اسکرم‌جت را فراهم می‌آورد. RBCCها امکانی را برای گسترش دامنه عملکرد اسکرم‌جت به سرعت‌های بالاتر یا فشارهای دینامیکی ورودی پایین‌تر از آنچه در غیر این صورت ممکن بود، ارائه می‌دهند. ویژگی‌ها دربارهٔ هواپیما نیازی به حمل اکسیژن ندارد نداشتن قطعات چرخان ساخت آن را آسان‌تر از یک توربوجت می‌کند دارای ضربه ویژه بالاتری (تغییر در تکانه بر واحد پیشران) نسبت به موتور راکتی است؛ می‌تواند بین ۱۰۰۰ تا ۴۰۰۰ ثانیه فراهم کند، در حالی که یک راکت معمولاً حدود ۴۵۰ ثانیه یا کمتر فراهم می‌کند. سرعت بالاتر می‌تواند به معنای دسترسی ارزان‌تر به فضای ماورای جو در آینده باشد آزمایش و توسعه دشوار / گران نیازمندی‌های پیشرانش اولیه بسیار بالا برخلاف یک راکت که به سرعت و عمدتاً به صورت عمودی از جو عبور می‌کند یا یک توربوجت یا رم‌جت که با سرعت‌های بسیار کمتر پرواز می‌کند، یک وسیله نقلیه هوازی هایپرسونیک به‌طور بهینه در یک «مسیر پروازی پست» (depressed trajectory) پرواز می‌کند و با سرعت‌های هایپرسونیک در جو باقی می‌ماند. | ## بخش 3: اسکرم‌جت | از آنجایی که اسکرم‌جت‌ها نسبت‌های رانش به وزن متوسطی دارند، شتاب‌گیری محدود خواهد بود؛ بنابراین، زمان صرف شده در جو با سرعت اَبَرصوت قابل توجه خواهد بود، احتمالاً ۱۵–۳۰ دقیقه. مشابه یک وسیله فضایی در حال ورود مجدد به جو، عایق‌کاری حرارتی یک کار دشوار خواهد بود و نیاز به محافظتی دارد که مدت زمان آن طولانی‌تر از یک کپسول فضایی معمولی است، اگرچه کمتر از شاتل فضایی است. اغلب مایع خنک‌کننده خود سوخت است، بسیار شبیه به روشی که راکت‌های مدرن از سوخت و اکسیدکننده خود به عنوان خنک‌کننده برای موتورهایشان استفاده می‌کنند. خنک‌کاری اسکرم‌جت‌ها به این روش ممکن است منجر به بازدهی بیشتر شود، زیرا گرما قبل از ورود به موتور به سوخت اضافه می‌شود، اما منجر به افزایش پیچیدگی و وزنی می‌شود که در نهایت می‌تواند بر هر گونه افزایش عملکردی غلبه کند. معمولاً وسایل نقلیه برای به حداکثر رساندن برد ، شعاع مداری یا کسر جرمی محموله برای یک موتور و سوخت معین طراحی می‌شوند. این امر منجر به ایجاد توازن بین بازده موتور (وزن سوخت در هنگام برخاست) و پیچیدگی موتور (وزن خشک در هنگام برخاست) می‌شود که می‌توان آن را با فرمول زیر بیان کرد: که در آن: کسر جرمی خالی است و نشان‌دهنده وزن ابرسازه، مخازن و موتور است. کسر جرمی سوخت است و نشان‌دهنده وزن سوخت، اکسیدکننده و هر ماده دیگری است که در طول پرتاب مصرف می‌شود. یک اسکرم‌جت جرم موتور را نسبت به یک راکت افزایش می‌دهد و جرم سوخت را کاهش می‌دهد. تصمیم‌گیری در مورد اینکه آیا این امر منجر به افزایش می‌شود (که به معنای افزایش محموله تحویلی برای وزن ثابت برخاست وسیله نقلیه است) می‌تواند دشوار باشد. منطق پشت تلاش‌ها برای توسعه اسکرم‌جت این است که (به عنوان مثال) کاهش سوخت، جرم کل را ۳۰٪ کاهش می‌دهد، در حالی که افزایش وزن موتور، ۱۰٪ به جرم کل وسیله نقلیه اضافه می‌کند. متأسفانه، عدم قطعیت در محاسبه هرگونه تغییر جرم یا بازده در یک وسیله نقلیه به قدری زیاد است که فرضیات کمی متفاوت برای بازده یا جرم موتور می‌تواند استدلال‌های به همان اندازه خوبی را برای یا علیه وسایل نقلیه مجهز به اسکرم‌جت ارائه دهد. پسای کل پیکربندی را می‌توان به عنوان مجموع پسای وسیله نقلیه و پسای نصب موتور در نظر گرفت. پسای نصب به‌طور سنتی از پایلون‌ها و جریان جفت‌شده به دلیل جت موتور ناشی می‌شود و تابعی از تنظیم دریچه گاز است؛ بنابراین اغلب به این صورت نوشته می‌شود: که در آن: ضریب تلفات است نیروی پیشران موتور است برای موتوری که به شدت در بدنه آیرودینامیکی یکپارچه شده است، ممکن است راحت‌تر باشد که را به عنوان تفاوت پسا از یک پیکربندی پایه شناخته‌شده در نظر بگیریم. بازده کلی موتور را می‌توان به عنوان یک مقدار بین ۰ و ۱ بر حسب ضربه ویژه موتور نشان داد: که در آن: شتاب گرانش در سطح زمین است سرعت وسیله نقلیه است ضربه ویژه است گرمای واکنش سوخت است ضربه ویژه اغلب به عنوان واحد بازده برای راکت‌ها استفاده می‌شود، زیرا در مورد راکت، رابطه مستقیمی بین ضربه ویژه، مصرف سوخت ویژه و سرعت خروجی وجود دارد. این رابطه مستقیم به‌طور کلی برای موتورهای هوازی وجود ندارد، و بنابراین ضربه ویژه کمتر در متون علمی استفاده می‌شود. ضربه ویژه یک موتور راکتی مستقل از سرعت است و مقادیر رایج بین ۲۰۰ تا ۶۰۰ ثانیه است (۴۵۰ثانیه برای موتورهای اصلی شاتل فضایی). ضربه ویژه یک اسکرم‌جت با سرعت تغییر می‌کند و در سرعت‌های بالاتر کاهش می‌یابد، که از حدود ۱۲۰۰ثانیه شروع می‌شود، اگرچه مقادیر در متون علمی متفاوت است. برای حالت ساده یک وسیله نقلیه تک‌مرحله‌ای، کسر جرمی سوخت را می‌توان به صورت زیر بیان کرد: که این را می‌توان برای انتقال تک‌مرحله‌ای به مدار به صورت زیر بیان کرد: یا برای پرواز افقی در جو از پرتاب هوایی (پرواز موشک): که در آن برد است، و محاسبه را می‌توان در قالب فرمول برد برگه بیان کرد: که در آن: ضریب برآ است ضریب پسا است این فرمول‌بندی بسیار ساده که برای اهداف بحث استفاده می‌شود، فرض می‌کند: وسیله نقلیه تک‌مرحله‌ای عدم وجود نیروی برآی آیرودینامیکی برای پرتابگر ترا-اتمسفری با این حال، این موارد به‌طور کلی برای همه موتورها صادق هستند. یک اسکرم‌جت نمی‌تواند نیروی پیشران کارآمدی تولید کند مگر اینکه به سرعت بالا، حدود ماخ۵، تقویت شود، اگرچه بسته به طراحی می‌تواند در سرعت‌های پایین به عنوان یک رم‌جت عمل کند. یک هواپیمای با برخاست افقی برای برخاستن به موتورهای توربوفن، توربوجت یا راکتی معمولی نیاز دارد که به اندازه‌ای بزرگ باشند تا یک وسیله سنگین را حرکت دهند. همچنین سوخت برای آن موتورها، به علاوه تمام ساختار نصب و سیستم‌های کنترل مرتبط با موتور، مورد نیاز است. موتورهای توربوفن و توربوجت سنگین هستند و به راحتی نمی‌توانند از حدود ماخ۲–۳ فراتر روند، بنابراین برای رسیدن به سرعت عملیاتی اسکرم‌جت به روش پیشرانش دیگری نیاز خواهد بود. در عوض، تعدادی از پیشنهادها خواهان یک مرحله اول از پیش‌ران جامدهای جداشدنی هستند که طراحی را به شدت ساده می‌کند. آزمایش‌ها با استفاده از وسایل نقلیه آزمایشی پرتاب‌شده، معمولاً با تخریب آیتم آزمایشی و ابزار دقیق به پایان می‌رسند. وسایل نقلیه مداری یک مزیت یک وسیله نقلیه هوازی هایپرسونیک (معمولاً اسکرم‌جت) مانند X-30، اجتناب یا حداقل کاهش نیاز به حمل اکسیدکننده است. به عنوان مثال، مخزن خارجی شاتل فضایی ۶۱۶٬۴۳۲٫۲ کیلوگرم اکسیژن مایع (LOX) و ۱۰۳٬۰۰۰ کیلوگرم هیدروژن مایع (LH) را در خود نگه می‌داشت در حالی که وزن خالی آن ۳۰٬۰۰۰ کیلوگرم بود. وزن ناخالص مدارپیما ۱۰۹٬۰۰۰ کیلوگرم با حداکثر محموله حدود ۲۵٬۰۰۰ کیلوگرم بود و برای بلند کردن این مجموعه از سکوی پرتاب، شاتل از دو پیش‌ران جامد بسیار قدرتمند با وزن هر کدام ۵۹۰٬۰۰۰ کیلوگرم استفاده می‌کرد. اگر اکسیژن حذف شود، وسیله نقلیه در هنگام بلند شدن می‌تواند سبک‌تر باشد و احتمالاً محموله بیشتری حمل کند. از سوی دیگر، اسکرم‌جت‌ها زمان بیشتری را در جو می‌گذرانند و برای مقابله با پسای آیرودینامیکی به سوخت هیدروژن بیشتری نیاز دارند. در حالی که اکسیژن مایع یک سیال نسبتاً چگال است (۱۱۴۱ کیلوگرم بر متر مکعب)، هیدروژن مایع چگالی بسیار کمتری دارد (۷۰٫۸۵ کیلوگرم بر متر مکعب) و حجم بیشتری را اشغال می‌کند. این بدان معناست که وسیله نقلیه‌ای که از این سوخت استفاده می‌کند بسیار بزرگتر می‌شود و پسای بیشتری ایجاد می‌کند. سوخت‌های دیگر چگالی قابل مقایسه‌تری دارند، مانند آرپی-۱ (۸۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب)، جی‌پی-۷ (چگالی در ۱۵ °C ۷۷۹–۸۰۶ کیلوگرم بر متر مکعب) و دی‌متیل‌هیدرازین نامتقارن (UDMH) (۷۹۳٫۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب). یک مسئله این است که پیش‌بینی می‌شود موتورهای اسکرم‌جت نسبت رانش به وزن فوق‌العاده ضعیفی در حدود ۲ داشته باشند، زمانی که در یک وسیله پرتاب نصب شوند. یک راکت این مزیت را دارد که موتورهای آن نسبت‌های رانش به وزن بسیار بالایی دارند (حدود ۱۰۰:۱)، در حالی که مخزن برای نگهداری اکسیژن مایع نیز به نسبت حجمی حدود ۱۰۰:۱ نزدیک می‌شود؛ بنابراین یک راکت می‌تواند به کسر جرمی بسیار بالایی دست یابد که عملکرد را بهبود می‌بخشد. در مقابل، نسبت رانش به وزن پیش‌بینی شده موتورهای اسکرم‌جت در حدود ۲ به این معنی است که درصد بسیار بزرگتری از جرم برخاست مربوط به موتور است (با نادیده گرفتن اینکه این کسر به هر حال به دلیل عدم وجود اکسیدکننده روی وسیله، حدود چهار برابر افزایش می‌یابد). علاوه بر این، رانش کمتر وسیله نقلیه لزوماً نیاز به توربوپمپ‌های گران‌قیمت، حجیم و مستعد خرابی با عملکرد بالا که در موتورهای راکتی سوخت مایع معمولی یافت می‌شوند را برطرف نمی‌کند، زیرا به نظر می‌رسد بیشتر طرح‌های اسکرم‌جت در حالت هوازی قادر به رسیدن به سرعت‌های مداری نیستند و بنابراین به موتورهای راکتی اضافی نیاز است. اسکرم‌جت‌ها ممکن است بتوانند از تقریباً ماخ۵–۷ تا حدود نصف سرعت مداری یا خود سرعت مداری شتاب بگیرند (تحقیقات X-30 نشان داد که ماخ۱۷ ممکن است حد نهایی در مقایسه با سرعت مداری ماخ۲۵ باشد، و مطالعات دیگر حد بالای سرعت برای یک موتور اسکرم‌جت خالص را بین ماخ۱۰ تا ۲۵ قرار می‌دهند، بسته به مفروضات). به‌طور کلی، انتظار می‌رود که یک سامانه پیشرانش دیگر (معمولاً یک راکت پیشنهاد می‌شود) برای شتاب‌گیری نهایی به مدار مورد نیاز باشد. از آنجایی که دلتا-وی متوسط و کسر محموله اسکرم‌جت‌ها بالا است، راکت‌هایی با عملکرد پایین‌تر مانند راکت‌های سوخت جامد، هایپرگولیک‌ها، یا بوسترهای ساده با سوخت مایع ممکن است قابل قبول باشند. اگر از خنک‌کاری فعال با سوخت به عنوان مایع خنک‌کننده استفاده شود، از دست دادن تمام سوخت در طول احتراق برای رسیدن به مدار به معنای از دست دادن تمام خنک‌کاری برای سامانه حفاظت حرارتی نیز خواهد بود. کاهش مقدار سوخت و اکسیدکننده لزوماً هزینه‌ها را بهبود نمی‌بخشد زیرا پیشران‌های راکتی نسبتاً بسیار ارزان هستند. در واقع، می‌توان انتظار داشت که هزینه واحد وسیله نقلیه بسیار بالاتر باشد، زیرا هزینه سخت‌افزار هوافضا حدود دو مرتبه بزرگی بالاتر از اکسیژن مایع، سوخت و مخازن است و سخت‌افزار اسکرم‌جت به نظر می‌رسد برای هر محموله معین بسیار سنگین‌تر از راکت‌ها باشد. با این حال، اگر اسکرم‌جت‌ها وسایل نقلیه قابل استفاده مجدد را امکان‌پذیر کنند، این امر از نظر تئوری می‌تواند یک مزیت هزینه باشد. اینکه آیا تجهیزات تحت شرایط شدید یک اسکرم‌جت می‌توانند به اندازه کافی چندین بار مورد استفاده مجدد قرار گیرند، نامشخص است؛ تمام آزمایش‌های پروازی اسکرم‌جت فقط برای دوره‌های کوتاه دوام می‌آورند و تاکنون برای بقا در یک پرواز طراحی نشده‌اند. هزینه نهایی چنین وسیله‌ای موضوع بحث‌های شدید است زیرا حتی بهترین تخمین‌ها نیز در مورد سودمند بودن یک وسیله نقلیه اسکرم‌جت اختلاف نظر دارند. احتمالاً یک وسیله نقلیه اسکرم‌جت باید بار بیشتری را نسبت به یک راکت با وزن برخاست برابر بلند کند تا از نظر هزینه به همان اندازه کارآمد باشد (اگر اسکرم‌جت یک وسیله نقلیه غیرقابل استفاده مجدد باشد). یک مرحله اسکرم‌جت در یک وسیله پرتاب از نظر تئوری ضربه ویژه‌ای بین ۱۰۰۰ تا ۴۰۰۰ثانیه فراهم می‌کند، در حالی که یک راکت در جو کمتر از ۴۵۰ثانیه فراهم می‌کند. با این حال، ضربه ویژه یک اسکرم‌جت با سرعت به سرعت کاهش می‌یابد و وسیله نقلیه از نسبت برآ به پسا نسبتاً پایینی رنج می‌برد. نسبت رانش به وزن نصب‌شده اسکرم‌جت‌ها در مقایسه با نسبت ۵۰–۱۰۰ یک موتور راکتی معمولی بسیار نامطلوب است. این امر در اسکرم‌جت‌ها تا حدی جبران می‌شود زیرا وزن وسیله نقلیه توسط نیروی برآی آیرودینامیکی حمل می‌شود نه صرفاً قدرت راکت (که باعث کاهش «اتلاف‌های گرانشی» می‌شود)، اما اسکرم‌جت‌ها به دلیل رانش کمتر، زمان بسیار بیشتری برای رسیدن به مدار نیاز دارند که مزیت را تا حد زیادی خنثی می‌کند. وزن برخاست یک وسیله نقلیه اسکرم‌جت به دلیل عدم وجود اکسیدکننده در وسیله، به‌طور قابل توجهی نسبت به یک راکت کاهش می‌یابد، اما به دلیل الزامات ساختاری موتورهای بزرگتر و سنگین‌تر، افزایش می‌یابد. اینکه آیا این وسیله نقلیه می‌تواند قابل استفاده مجدد باشد یا نه، هنوز موضوع بحث و تحقیق است. کاربردهای پیشنهادی یک هواپیما با استفاده از این نوع موتور جت می‌تواند زمان لازم برای سفر از یک مکان به مکان دیگر را به شدت کاهش دهد و به‌طور بالقوه هر مکانی روی زمین را در یک پرواز ۹۰ دقیقه‌ای قرار دهد. با این حال، سؤالاتی در مورد اینکه آیا چنین وسیله‌ای می‌تواند سوخت کافی برای انجام سفرهای با مسافت مفید حمل کند، وجود دارد. علاوه بر این، برخی کشورها هواپیماهای مسافربری و سایر هواپیماهای غیرنظامی را که شکست دیوار صوتی ایجاد می‌کنند، ممنوع یا جریمه می‌کنند. | ## جمع‌بندی | (به عنوان مثال، در ایالات متحده، مقررات FAA پروازهای اَبَرصوت بر فراز خشکی توسط هواپیماهای غیرنظامی را ممنوع می‌کند.) وسیله نقلیه اسکرم‌جت برای یک وسیله نقلیه تک‌مرحله‌ای به افسار فضایی پیشنهاد شده است، که در آن یک افسار مداری چرخان با سرعت ماخ۱۲ یک محموله را از یک وسیله نقلیه در حدود ۱۰۰ کیلومتری برداشته و آن را به مدار حمل می‌کند.