موتور هیبریدی دوگانه Astro برای پرواز مافوق صوت به میدان آمد

شاید در نگاه اول، ایده ساخت یک موتور جت مافوق صوت هیبریدی-الکتریکی کمی عجیب یا حتی شبیه به یک تناقض تاریخی به نظر برسد. در دهه ۱۹۴۰ میلادی، ترکیبی از موشک و بالن به نام «راکون» (Rockoon) ابداع شد که به همان اندازه غیرمنطقی می‌نمود؛ در آن طرح، یک موشک کوچک توسط بالن به ارتفاع بالا برده می‌شد تا در آنجا شعله‌ور شود. با اینکه این ایده در ظاهر پیچیده و غیرضروری می‌آمد، اما یک مشکل بسیار واقعی را حل می‌کرد: جلوگیری از هدر رفتن حجم زیادی از سوخت برای پرواز در لایه‌های متراکم پایین جو. این کار همچنین امکان پرتاب موشک‌های تحقیقاتی از کشتی‌ها در دل دریا را فراهم می‌کرد تا قطعات مصرف‌شده در نزدیکی مناطق مسکونی سقوط نکنند.

 ترکیب عجیب و منطق مهندسی

امروزه، ایده موتور هیبریدی-الکتریکی برای هواپیماهای مافوق صوت شرکت Astro Mechanica، واکنش اولیه‌ای مشابه را برمی‌انگیزد، اما در پشت آن، منطق مهندسی بسیار قوی و محکمی نهفته است. شرکت Astro Mechanica در حال پیشبرد طرح انقلابی خود است و برای تحقق این هدف، با شرکت مهندسی Helix مستقر در بریتانیا، که متخصص موتورهای الکتریکی با شار شعاعی و چگالی انرژی بالا است، همکاری کرده است.

چالش‌های پرواز مافوق صوت سنت

موتورهای جت مافوق صوت متداول، اساساً موتورهایی هستند که قابلیت تغییر شکل خود را دارند تا بتوانند در سرعت‌های بیش از یک ماخ (Mach 1) عمل کنند. این تغییر شکل شامل تغییر جهت جریان هوا و جابه‌جایی قطعات است تا هوای ورودی کند شده و خنک شود تا از تخریب موتور جلوگیری شود. همچنین هدف این است که موتور در کارآمدترین حالت ممکن کار کند.
مشکل این است که این نوع موتورها در عمل، فهرستی از مصالحه‌های اجباری هستند که نهایتاً همه را ناراضی می‌گذارند. ممکن است یک موتور بسیار پر سر و صدا باشد، یا برای حفظ فشرده‌سازی مناسب در سرعت‌های مختلف نیاز به جعبه دنده سنگین و پیچیده‌ای داشته باشد. در موارد دیگر، عملکرد موتور در سرعت‌های پایین، هنگام برخاست یا فرود، رضایت‌بخش نیست، و ممکن است سوخت زیادی مصرف کند. در حالت ایده‌آل، یک موتور باید هم توان لازم برای پرواز مافوق صوت را تولید کند و هم توانایی حفظ جریان بهینه هوا و فشرده‌سازی آن را در تمام مراحل پرواز داشته باشد. اما مشکل اساسی در مهندسی هوانوردی این است که این دو نیاز، اغلب متضاد یکدیگر بوده و منجر به ناکارآمدی سوخت می‌شوند.

سامانه پیشرانه دوگانه (Duality): معماری هیبریدی

برای مقابله با این ناکارآمدی‌های متقابل، شرکت Astro Mechanica بر روی سیستمی به نام سامانه پیشرانه دوگانه (Duality Propulsion System) کار می‌کند. این سیستم در حقیقت یک موتور انطباق‌پذیر توربو-الکتریک با چرخه ترکیبی است. به زبان ساده، این موتور، تولید نیرو و نیروی محرکه (پیشرانش) را به دو مجموعه مجزا اما موازی از ماشین‌آلات تقسیم می‌کند.
این موتور همچنان از سوخت جت استفاده می‌کند، اما سوخت تنها در یک توربین گازی اختصاصی می‌سوزد که صرفاً به عنوان یک توربوژنراتور عمل کرده و در سرعت‌های زیر صوت، برق تولید می‌کند. از آنجا که این توربین تنها وظیفه تولید برق را دارد، معماری آن می‌تواند بسیار ساده‌تر باشد

قدرت موتورهای الکتریکی شعاعی Helix

اینجاست که نقش شرکت Helix، که قبلاً با نام Integral Powertrain Ltd شناخته می‌شد، پررنگ می‌شود. Helix سازنده موتورهای الکتریکی با شار شعاعی و چگالی انرژی بسیار بالا است. نسل پنجم این موتورها می‌تواند تا ۹۵۰ کیلووات توان تولید کند. این موتورها که در ابتدا برای مسابقات فرمول E و هایپرکارهای الکتریکی توسعه یافته بودند، در سیستم Duality، عنصر کمپرسور/فن، که یک دیسک پره‌دار به نام “بلِسک” (blisk) است، را به حرکت در می‌آورند.
این ساختار منحصر به فرد به موتور اجازه می‌دهد تا جریان هوا و سرعت کمپرسور به طور دقیق و کاملاً مستقل از خروجی احتراق توربین گازی کنترل شود. نتیجه این است که موتور می‌تواند حالت عملکرد خود را تغییر دهد تا در هر سرعتی به بالاترین کارایی ممکن دست یابد. این بدان معناست که ژنراتور و پروانه‌ها می‌توانند بدون ایجاد مزاحمت برای یکدیگر در طول پرواز، کار خود را انجام دهند.

سه حالت عملکرد برای کارایی در هر سرعت

سیستم Duality به هواپیما این امکان را می‌دهد که بسته به سرعت، عملاً مانند سه موتور مختلف عمل کند.

1.  عملیات زمینی و زیر صوت: در طول عملیات زمینی مانند تاکسی کردن، برخاستن، صعود و کروز زیرصوت، موتور مانند یک توربوفن بسیار کارآمد عمل می‌کند. در این حالت، “بلِسک‌ها” هوا را به داخل کشیده و آن را با شتاب به عقب پرتاب می‌کنند. یک مزیت بزرگ این است که “بلِسک‌ها” می‌توانند حتی روی باند و بدون نیاز به روشن بودن توربوژنراتور (فقط با نیروی برق) کار کنند، که این امر باعث کاهش قابل توجه صدا و هزینه‌های سوخت می‌شود. این کارایی در هنگام کروز با سرعت پایین، زمانی که توربوژنراتور فعال است، نیز حفظ می‌شود.
2.  پرواز مافوق صوت (Mach 1 تا Mach 3): هنگامی که هواپیما وارد فاز مافوق صوت می‌شود، موتور مانند یک توربوجت عمل می‌کند؛ در این حالت احتراق فعال شده تا نیروی رانش با سرعت بالا تولید کند. در عین حال، موتورهای الکتریکی همچنان کمپرسور را با سرعت دقیقی که برای تغذیه هسته با هوای فشرده لازم است، به حرکت در می‌آورند. این فرآیند تضمین می‌کند که فشرده‌سازی هوا در حد مطلوب باقی بماند، بدون توجه به میزان نیروی رانشی که توربین تولید می‌کند. این ویژگی انتقال نرم‌تر و کارآمدتری به سرعت مافوق صوت را ممکن می‌سازد و از مشکلات آیرودینامیکی که موتورهای مافوق صوت سنتی را دچار مشکل می‌کنند، جلوگیری می‌نماید.
3.  فراسوی سرعت ماخ ۳: اگر هواپیما از سرعت سه ماخ فراتر رود، بازی به کلی تغییر می‌کند و موتور به یک پیکربندی تمام سوختی شبیه به رم‌جت تبدیل می‌شود که عملاً قطعه متحرکی در آن دخیل نیست. در چنین سرعت‌هایی، هوا به محض برخورد با ورودی، خودش فشرده می‌شود و موتور مانند یک مجرای بزرگ عمل می‌کند. این امکان را به توربوژنراتور می‌دهد که وظیفه خود را از تأمین نیروی محرکه تغییر داده و به تأمین نیروی سایر سیستم‌های هواپیما اختصاص دهد.

چشم‌انداز آینده: سفر هوایی فرا اقیانوسی مقرون‌به‌صرفه

شرکت Astro Mechanica مستقر در کالیفرنیا، در حال حاضر در حال آزمایش نسل چهارم نمونه اولیه موتور خود است و ابراز امیدواری کرده که ظرف سه سال آینده، اولین پرواز آزمایشی انجام شود. هدف اصلی این شرکت، دستیابی به قابلیت طی مسافت بین اقیانوس آرام (ترانس‌پاسیفیک) برای سفرهای مسافری مافوق صوت ارزان‌قیمت و در صورت تقاضا است. با این حال، اهداف کوتاه‌مدت بیشتری نیز برای این فناوری وجود دارد، از جمله کاربرد در دفاع ملی، قابلیت پرتاب مداری، و تحویل محموله‌های دوربرد.
درک جردن‌بایلی، مدیر ارشد مهندسی هوافضای Helix، درباره این پروژه می‌گوید: «ما فوق‌العاده مفتخریم که موتورهای الکتریکی ما، Duality را که پتانسیل تغییر شکل صنعت هوانوردی و هوافضا را دارد، تامین می‌کنند. Helix دهه‌ها در خط مقدم فناوری پیشران الکتریکی کار کرده و اکنون یک توانمندساز حیاتی در مسیر برقی‌سازی بسیاری از بخش‌های با عملکرد بالا است. موتور Astro Mechanica نشان می‌دهد که چگالی توان بی‌رقیب ما می‌تواند مهندسی و اقتصاد کل صنایع را متحول سازد.»

سوالات متداول

1. موتور هیبریدی Astro Mechanica چه مشکلی را در پرواز مافوق صوت حل می‌کند؟

این موتور، مشکلات اساسی موتورهای مافوق صوت سنتی مانند سر و صدای زیاد، نیاز به قطعات مکانیکی پیچیده برای فشرده‌سازی هوا (جعبه دنده‌های سنگین)، و مصرف بالای سوخت در سرعت‌های پایین را حل می‌کند. سامانه Duality، با جداسازی تولید نیرو و رانش، کارایی موتور را در تمام مراحل پرواز بهینه می‌سازد.

2. سامانه پیشرانه دوگانه (Duality) چگونه کار می‌کند؟

سیستم Duality یک موتور توربو-الکتریک ترکیبی است. این سیستم از یک توربین گازی استفاده می‌کند که فقط به عنوان ژنراتور برق عمل کرده و نیروی محرکه خود را از موتورهای الکتریکی قدرتمند Helix می‌گیرد. این موتورهای الکتریکی کمپرسور (بلِسک) را به حرکت در می‌آورند که امکان کنترل دقیق سرعت کمپرسور و جریان هوا را به صورت مستقل فراهم می‌کند.

3. شرکت Helix چه نقشی در این پروژه ایفا می‌کند؟

شرکت Helix، که متخصص موتورهای الکتریکی با چگالی انرژی بالا است، موتورهای الکتریکی قدرتمند با شار شعاعی را فراهم می‌کند که عنصر حیاتی برای رانش سیستم Duality هستند. این موتورها (که در ابتدا برای مسابقات فرمول E طراحی شده بودند) نیروی لازم برای کنترل دقیق فشرده‌سازی هوا در موتور را تأمین می‌کنند.

4. موتور Duality در سرعت‌های مختلف پرواز چگونه عمل می‌کند؟

موتور Duality می‌تواند مانند سه موتور مجزا عمل کند: در سرعت‌های زیر صوت (از جمله تاکسی کردن)، مانند یک توربوفن کارآمد و کم‌صدا عمل می‌کند؛ در فاز مافوق صوت (Mach 1 تا Mach 3)، مانند یک توربوجت عمل کرده و موتورهای الکتریکی همچنان کمپرسور را فعال نگه می‌دارند؛ و در سرعت‌های بسیار بالا (بیش از Mach 3)، شبیه یک رم‌جت است که فشرده‌سازی هوا به صورت طبیعی انجام می‌شود و قطعات متحرک کاهش می‌یابد.

5. هدف بلندمدت Astro Mechanica از توسعه این موتور چیست؟

هدف نهایی Astro Mechanica فراهم کردن قابلیت پروازهای فرا اقیانوسی برای مسافران، به صورت ارزان‌قیمت و در صورت تقاضا است. این شرکت همچنین کاربردهای کوتاه‌مدتی را در زمینه‌های دفاع ملی، حمل و نقل بار دوربرد و قابلیت‌های پرتاب مداری دنبال می‌کند.

ثمینه تفقدی

ثمینه تفقدی هستم علاقه مند به محتوا نویسی، از سال ۲۰۲۴ به تیمی که در زمینه ارز دیجیتال فعالیت داشت پیوستم و از اوایل سال ۲۰۲۵ با علاقه مند شدن به گجت ها و نوآوری هایی که برای اولین بار در جهان اتفاق می افتد، باعث شد تا با تیم جوان و با پشتکار پارس دیجی آشنا بشم از اون تاریخ به بعد درباره بهترین گجت ها تحقیق میکنم تا اطلاعات بهینه ای را در اختیار خوانندگان محترم این سایت قرار دهم