چگونه موتورهای ایرواسپایک راندمان نیروی پیشران را در ارتفاعات مختلف حفظ می‌کنند

هندسه بنیادین موتور موشک، یک تقابل آیرودینامیکی دائمی را میان دو محیط ناسازگار تحمیل می‌کند. مهندسان پیشران که موتور را برای سکوی پرتاب بهینه‌سازی می‌کنند، نیازمند یک نازل زنگوله‌ای باریک و کاملاً محدود هستند؛ استدلال آن‌ها این است که در غیر این صورت، جو متراکم سطح دریا ستون گازهای خروجی را به سمت داخل فشرده کرده و باعث جدایش خطرناک جریان می‌شود. در مقابل، مهندسانی که برای خلأ فضا طراحی می‌کنند، به یک زنگوله عظیم و بسیار گشاد نیاز دارند و خاطرنشان می‌کنند که یک نازل باریک، جریان گاز را خفه کرده و پتانسیل ترمودینامیکی گازهای در حال انبساط را هدر می‌دهد. از آنجا که یک زنگوله فلزی صلب نمی‌تواند نسبت انبساط خود را در طول صعود از نظر فیزیکی تغییر دهد، هر موشک متداولی با یک معماری سازش‌یافته پرواز می‌کند که هیچ‌یک از این دو گروه را کاملاً راضی نمی‌کند.[1][2]

فیزیکِ این محدودیت، طراحی پرتابگرهای مدرن را دیکته می‌کند. همان‌طور که مرجع مهندسی Aerospaceweb توضیح می‌دهد، در یک نازل زنگوله‌ای استاندارد در ارتفاعات پایین، «فشار جوی بالاتر، گازهای خروجی را به سمت داخل می‌راند. این نابرابری باعث می‌شود گازهای خروجی از دیواره‌های نازل جدا شده و میزان نیروی پیشران تولیدی کاهش یابد.» این وضعیت که به عنوان انبساط بیش از حد شناخته می‌شود، نیروی بالابرنده حیاتی پرتابگر را در زمانی که در سنگین‌ترین حالت خود قرار دارد، از بین می‌برد. در لایه‌های فوقانی جو، گازهای خروجی بیش از حد از دهانه خروجی نازل منبسط می‌شوند و به جای هول دادن پرتابگر به جلو، نیروی پیشران را به سمت بیرون هدر می‌دهند؛ وضعیتی که انبساط کمتر از حد نامیده می‌شود.[2]

موتور ایرواسپایک این معماری را به طور کامل وارونه می‌کند تا مشکل انبساط را حل کند. به جای شلیک گازهای خروجی داغ از داخل یک زنگوله توخالی، موتور ایرواسپایک گازها را در امتداد سطح بیرونی یک سطح شیب‌دار یا توپی مرکزی شلیک می‌کند. گازهای حاصل از احتراق به سمت داخل و روی این بدنه مرکزی صلب هدایت می‌شوند، در حالی که خود جو محیط به عنوان دیواره بیرونی و نامرئی نازل عمل می‌کند. در نتیجه، موتور ایرواسپایک «راندمان آیرودینامیکی خود را در طیف وسیعی از ارتفاعات حفظ می‌کند» و ذاتاً به عنوان یک جبران‌کننده ارتفاع عمل می‌نماید.[1][2]

این پیکربندی یک ستون گاز خروجی پویا و خودتنظیم ایجاد می‌کند. با صعود پرتابگر و کاهش فشار جوی محیط، مرز بیرونی و نامرئی ستون گاز به طور طبیعی به سمت بیرون منبسط می‌شود. گازهای خروجی در تمام زمان‌ها کاملاً به اسپایک مرکزی چسبیده باقی می‌مانند و تضمین می‌کنند که حداکثر نیروی پیشران ممکن در راستای محور به سمت پایین هدایت شود. موتور ایرواسپایک با تنظیم پویای خود با فشار هوای محیط، از جریمه‌های سنگین انبساط بیش از حد بر روی سکوی پرتاب جلوگیری کرده و همزمان با راندمان بالای انبساط موتورهای خلأ در مدار برابری می‌کند.[1][2]

مزایای نظری این بهینه‌سازی پیوسته بسیار عظیم است، به‌ویژه در مورد جرم پرتابگر. یک موشک چندمرحله‌ای متداول، مرحله اول سنگین و بهینه‌شده برای سطح دریای خود را دقیقاً به این دلیل دور می‌اندازد که آن موتورها در لایه‌های فوقانی جو به بار مرده تبدیل می‌شوند. در مقابل، یک موتور ایرواسپایک تکانه ویژه بالایی را از سکوی پرتاب تا مدار حفظ می‌کند و آن را به سیستم پیشرانِ منتخب برای مفاهیم پرتابگرهای تک‌مرحله‌ای تا مدار (SSTO) تبدیل می‌سازد. در طول دهه ۱۹۹۰، برنامه X-33 VentureStar ناسا دقیقاً به همین دلیل موتور ایرواسپایک خطی RS-2200 را انتخاب کرد، اگرچه این برنامه در نهایت پیش از پرواز لغو شد.[1]

با وجود ظرافت آیرودینامیکی، این معماری موانع حرارتی و ساختاری شدیدی را به همراه دارد که آن را برای دهه‌ها زمین‌گیر کرده است. در یک نازل زنگوله‌ای سنتی، داغ‌ترین گازهای خروجی در مرکز ستون گاز متمرکز می‌شوند و در فاصله ایمنی از دیواره‌های موتور قرار می‌گیرند. در یک موتور ایرواسپایک، جریان احتراق با دمای بالا مستقیماً به دور اسپایک مرکزی پیچیده می‌شود و سخت‌افزار را در معرض بارهای حرارتی عظیم و مداوم قرار می‌دهد. خنک کردن آن اسپایک مرکزی نیازمند سیستم‌های بازتولیدی پیچیده‌ای است که پیشران برودتی را پیش از احتراق در داخل ساختار پمپاژ می‌کنند؛ امری که وزن و پیچیدگی تولید را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.[1][3]

ساخت‌وتولید افزایشی مدرن و مواد پیشرفته در حال رفع این تنگناهای تاریخی هستند و رنسانسی را در توسعه موتورهای ایرواسپایک رقم زده‌اند. در سپتامبر ۲۰۲۴، شرکت هوافضای هندی SpaceFields با موفقیت یک نمونه اولیه زیرمداری ایرواسپایک را در تاسیسات Challakere خود آزمایش گرم کرد و به حداکثر نیروی پیشران ۲۰۰۰ نیوتن دست یافت. در آلمان، شرکت POLARIS Spaceplanes در فوریه ۲۰۲۵ ماموریت یافت تا یک هواگرد تحقیقاتی مافوق‌صوت چندبارمصرف را توسعه دهد، با این هدف که تا سال ۲۰۲۸ محموله‌هایی تا وزن ۱۰۰۰ کیلوگرم را با استفاده از مفاهیم پیشران پیشرفته به فضا منتقل کند.[1]

گذار از نمونه‌سازی زیرمداری به پرواز مداری نیازمند مقیاس‌پذیری عظیمی است. ارائه‌دهندگان تجاری پرتاب فضایی در حال تطبیق این مفهوم برای سخت‌افزارهای مداری هستند؛ مانند شرکت Stoke Space که در حال حاضر یک پرتابگر چندبارمصرف را آزمایش می‌کند که از یک خروجی غیرفعال مرکزی برای ایجاد اثری شبیه به ایرواسپایک بهره می‌برد. موتور تقویت‌کننده Nova متعلق به این شرکت به گونه‌ای طراحی شده است که در هنگام برخاستن، بیش از ۱۰۰,۰۰۰ پوند-نیرو (۴۴۰ کیلونیوتن) نیروی پیشران تولید کند. موتور تقویت‌کننده Nova شرکت Stoke Space برای تولید نیروی پیشرانی معادل تقریباً ۲۲۲ برابر نمونه اولیه SpaceFields طراحی شده است که نشان‌دهنده مقیاس‌پذیری عظیمی است که برای حرکت از آزمایش زیرمداری به پرتاب مداری مورد نیاز است.[1][3]

جایزه نهایی که محرک این تلاش مهندسی است، یک سیستم پرتاب است که نیازی به مرحله‌بندی، سخت‌افزار دورریختنی و زنگوله‌های سازش‌یافته موتور ندارد. اگر جریمه‌های مدیریت حرارتی و وزن اسپایک مرکزی بتواند به طور کامل توسط آلیاژهای چاپ سه‌بعدی کاهش یابد، موتور ایرواسپایک یک ایده‌آل ترمودینامیکی را ارائه می‌دهد. این موتور نشان‌دهنده سیستم پیشرانی است که در هر میلی‌ثانیه از صعود، کاملاً با محیط خود سازگار می‌شود و اقتصاد دسترسی به فضا را به طور بنیادین تغییر می‌دهد.[1][2][3]