محرك إيروسبايك

محرك إيروسبايك هو نوع من محركات الصواريخ يحافظ على كفاءته الديناميكية الهوائية عبر نطاق واسع من الارتفاعات . ^{[ 1 ]} وهو ينتمي إلى فئة محركات الفوهات المعوضة للارتفاع . ^{[ 2 ]} وقد اقتُرحت محركات إيروسبايك للعديد من تصاميم المرحلة الواحدة إلى المدار (SSTO). وكانت من بين المرشحين لمحرك مكوك الفضاء الرئيسي . ومع ذلك، وحتى أوائل عام 2026، لم يكن أي من هذه المحركات قيد الإنتاج التجاري، على الرغم من أن بعض محركات إيروسبايك واسعة النطاق كانت في مراحل الاختبار. ^{[ 3 ]}

استُخدم مصطلح "الأنبوب الهوائي" في الأصل لوصف فوهة سدادة مقطوعة ذات شكل مخروطي خشن مع حقن غازي، مما يُشكّل "أنبوبًا هوائيًا" لتعويض غياب ذيل السدادة. مع ذلك، يُمكن أيضًا تسمية فوهة سدادة كاملة الطول بـ"الأنبوب الهوائي".

تتمثل وظيفة غطاء المحرك في توجيه عادم محرك الصاروخ في اتجاه واحد، مما يُولّد قوة دفع في الاتجاه المعاكس. يتميز العادم، وهو مزيج غازات عالي الحرارة، بتوزيع عشوائي للزخم (أي أن العادم يدفع في أي اتجاه ممكن). إذا سُمح للعادم بالخروج على هذا النحو، فإن جزءًا صغيرًا فقط من التدفق سيتحرك في الاتجاه الصحيح، وبالتالي لن يُساهم في قوة الدفع الأمامية. يُعيد الغطاء توجيه العادم المتحرك في الاتجاه الخاطئ ليُولّد قوة دفع في الاتجاه الصحيح. كما يُمارس ضغط الهواء المحيط ضغطًا طفيفًا على العادم، مما يُساعد على إبقائه يتحرك في الاتجاه "الصحيح" عند خروجه من المحرك. ومع صعود المركبة عبر الغلاف الجوي، ينخفض ​​ضغط الهواء المحيط، مما يُؤدي إلى بدء تمدد العادم المُولّد للدفع خارج حافة الغطاء. بما أن هذا العادم يبدأ بالانتشار في الاتجاه "الخاطئ" (أي للخارج من عمود العادم الرئيسي)، فإن كفاءة المحرك تنخفض أثناء تحرك الصاروخ لأن هذا العادم المتسرب لم يعد يساهم في قوة دفع المحرك. ويسعى محرك الصاروخ ذو الرأس المدبب إلى التخلص من هذا الفقد في الكفاءة. ^{[ 1 ]}

بدلاً من إطلاق العادم من فتحة صغيرة في منتصف جرس المحرك، يتجنب محرك إيروسبايك هذا التوزيع العشوائي بإطلاقه على طول الحافة الخارجية لبروز على شكل إسفين، يُسمى "الشوكة"، والذي يؤدي نفس وظيفة جرس المحرك التقليدي. تشكل الشوكة أحد جانبي جرس "افتراضي"، بينما يتشكل الجانب الآخر بفعل الهواء الخارجي. ^{[ 1 ]}

تعتمد فكرة تصميم الفوهة الهوائية المدببة على أن الضغط الجوي المحيط يضغط العادم باتجاه الفوهة عند الارتفاعات المنخفضة. ويمكن لإعادة تدوير العادم في منطقة قاعدة الفوهة أن ترفع الضغط في تلك المنطقة إلى ما يقارب الضغط الجوي المحيط. وبما أن الضغط أمام المركبة يساوي الضغط الجوي المحيط، فإن هذا يعني أن العادم عند قاعدة الفوهة يكاد يتوازن مع مقاومة الهواء التي تتعرض لها المركبة. لا ينتج عن ذلك أي قوة دفع إجمالية، ولكن هذا الجزء من الفوهة لا يفقد قوة الدفع بتكوين فراغ جزئي. ويمكن إهمال قوة الدفع عند قاعدة الفوهة عند الارتفاعات المنخفضة. ^{[ 1 ]}

مع ارتفاع المركبة، ينخفض ​​ضغط الهواء الذي يضغط العادم على الجزء المرتفع، وكذلك مقاومة الهواء أمامها. تحافظ منطقة إعادة التدوير عند قاعدة الجزء المرتفع على الضغط فيها عند جزء من البار ، وهو أعلى من الضغط شبه الصفري أمام المركبة، مما يوفر قوة دفع إضافية مع ازدياد الارتفاع. يعمل هذا النظام فعليًا كـ"معوض للارتفاع"، حيث يتكيف حجم الجزء المرتفع تلقائيًا مع انخفاض ضغط الهواء. ^{[ 1 ]}

يبدو أن من عيوب نظام الدفع الهوائي زيادة وزنه. علاوة على ذلك، قد تؤدي مساحة التبريد الأكبر إلى انخفاض الأداء عن المستويات النظرية نتيجةً لانخفاض الضغط على الفوهة. يعمل نظام الدفع الهوائي بكفاءة منخفضة نسبيًا بين سرعة ماخ 1 و3، حيث يقلل تدفق الهواء حول المركبة الضغط، وبالتالي يقلل قوة الدفع. ^{[ 4 ]}

أجرت شركة روكيتداين سلسلة مطولة من الاختبارات في ستينيات القرن الماضي على تصاميم مختلفة. استندت النماذج اللاحقة من هذه المحركات إلى آلية محرك J-2 عالية الموثوقية ، ووفرت مستويات دفع مماثلة للمحركات التقليدية التي استندت إليها؛ 200,000 رطل (890 كيلو نيوتن ) في محرك J-2T-200k ، و250,000 رطل (1.1 ميغا نيوتن) في محرك J-2T-250k (يشير الحرف T إلى غرفة الاحتراق الحلقية). بعد ثلاثين عامًا، أُعيد إحياء هذا العمل لاستخدامه في مشروع X-33 التابع لناسا . في هذه الحالة، استُخدمت آلية محرك J-2S المُحسّنة قليلاً مع زيادة خطية في قوة الدفع، مما أدى إلى إنتاج محرك XRS-2200 . بعد مزيد من التطوير والاختبارات المكثفة، أُلغي هذا المشروع بسبب أعطال متكررة في خزانات الوقود المركبة لطائرة X-33.

تم بناء ثلاثة محركات XRS-2200 خلال برنامج X-33، وخضعت لاختبارات في مركز ستينيس الفضائي التابع لناسا . نجحت اختبارات المحرك الواحد، لكن البرنامج توقف قبل إتمام اختبارات المحركين. يُنتج محرك XRS-2200 قوة دفع تبلغ 909,300 نيوتن (204,420 رطل قوة) بزمن ابتدائي ( _Isp ) قدره 339 ثانية عند مستوى سطح البحر، وقوة دفع تبلغ 1,184,300 نيوتن (266,230 رطل قوة) بزمن ابتدائي ( _Isp) قدره 436.5 ثانية في الفراغ.    

استُمدّ محرك RS-2200 الخطي ذو الدفع الهوائي ^{[ 5 ]} من محرك XRS-2200. وكان من المقرر أن يُزوّد ​​محرك RS-2200 مركبة VentureStar أحادية المرحلة للوصول إلى المدار بالطاقة . في التصميم الأحدث، كان من المفترض أن تدفع سبعة محركات RS-2200، يُنتج كل منها قوة 542,000 رطل (2,410 كيلو نيوتن) ، مركبة VentureStar إلى مدار أرضي منخفض. توقف تطوير محرك RS-2200 رسميًا في أوائل عام 2001 عندما لم يحصل برنامج X-33 على تمويل من مبادرة إطلاق الفضاء . اختارت شركة لوكهيد مارتن عدم مواصلة برنامج VentureStar دون أي دعم تمويلي من وكالة ناسا. يُعرض محرك من هذا النوع في الهواء الطلق في مركز مارشال لرحلات الفضاء التابع لناسا في هانتسفيل، ألاباما. 

أدى إلغاء الحكومة الفيدرالية لمشروع لوكهيد مارتن X-33 عام 2001 إلى انخفاض التمويل المتاح، إلا أن محركات الدفع الهوائي لا تزال مجالًا خصبًا للبحث العلمي. فعلى سبيل المثال، تحقق إنجاز هام عندما أجرى فريق مشترك من الأوساط الأكاديمية والصناعية من جامعة ولاية كاليفورنيا في لونغ بيتش (CSULB) وشركة غارفي سبيسكرافت اختبار طيران ناجحًا لمحرك دفع هوائي يعمل بالوقود السائل في صحراء موهافي في 20 سبتمبر 2003. وكان طلاب جامعة ولاية كاليفورنيا في لونغ بيتش قد طوروا صاروخهم "بروسبكتور 2" (P-2) باستخدام محرك دفع هوائي يعمل بالأكسجين السائل/الإيثانول _بقوة دفع 4.4 كيلو نيوتن (1000 رطل). ولا يزال العمل على محركات الدفع الهوائي مستمرًا؛ حيث تم اختبار إطلاق "بروسبكتور-10"، وهو محرك دفع هوائي ذو عشر حجرات، في 25 يونيو 2008. ^{[ 6 ]}

تحقق مزيد من التقدم في مارس 2004 عندما أُجري اختباران ناجحان برعاية مركز درايدن لأبحاث الطيران التابع لناسا ، باستخدام صواريخ عالية الطاقة من إنتاج شركة بلاك سكاي ، ومقرها كارلسباد، كاليفورنيا . وقد طُوّرت فوهات إطلاق الوقود الصلب ومحركات الصواريخ الصلبة وصُنعت بواسطة قسم محركات الصواريخ في شركة سيزاروني للتكنولوجيا ، شمال تورنتو، أونتاريو. كان الصاروخان يعملان بالوقود الصلب ومجهزين بفوهات إطلاق حلقية غير مقطوعة. أُجريت التجارب في مركز بيكوس كاونتي لتطوير الفضاء الجوي، فورت ستوكتون، تكساس، حيث حقق الصاروخان ارتفاعًا يصل إلى 7900 متر (26000 قدم) وسرعة تقارب 1.5 ماخ .  

يواصل أعضاء جمعية أبحاث التفاعلات تطوير محركات الصواريخ الهوائية الصغيرة باستخدام تكوين وقود صاروخي هجين .

في عام 2020، أطلقت جامعة دريسدن التقنية ومعهد فراونهوفر لعلوم الفضاء مشروع CFDμSAT لأبحاث محركات الطائرات ذات الرؤوس المدببة المصنعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد تم اختبار نموذج أولي بالفعل في خلية اختبار بمعهد هندسة الطيران والفضاء التابع لجامعة دريسدن التقنية، محققًا زمن احتراق قدره 30 ثانية. ^{[ 7 ]}

• فوهة قابلة للتمدد
• تجربة LASRE - تجربة الأنبوب الهوائي الخطي SR-71، 1997/1998، ناسا لصالح X-33 
• شركة روتاري روكيت – شركة أمريكية متخصصة في صناعة الصواريخ 
• سابر – محرك هجين مقترح يجمع بين محرك الدفع النفاث ومحرك الصاروخ 
• فوهة انحراف التمدد

• محرك إيروسبايك
• محركات متطورة مُخطط لها لصواريخ ساتورن ونوفا المُحسّنة - بما في ذلك محرك J-2T
• محرك إيروسبايك الخطي - نظام دفع لمركبة X-33
• مركز درايدن لأبحاث الطيران، مؤرشف بتاريخ 25 فبراير 2010 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• ميزات وأداء نظام التحكم في محرك Aerospike
• نظام التحكم في وضعية المركبة X-33 باستخدام محرك XRS-2200 الخطي الهوائي
• بوي، ترونغ؛ موراي، جيمس؛ روجرز، تشارلز؛ بارتل، سكوت؛ سيزاروني، أنتوني؛ دينيت، مايك (2005). "بحث طيران لفوهة إيروسبايك باستخدام صواريخ صلبة عالية الطاقة". المؤتمر والمعرض المشترك الحادي والأربعون للدفع التابع لـ AIAA/ASME/SAE/ASEE . doi : 10.2514/6.2005-3797 . ISBN 978-1-62410-063-5.
• هل فوهات Aerospikes أفضل من فوهات Bell Nozzles؟