موتور هیبریدی توربوالکتریک جدید Astro Mechanica با جداسازی تولید توان و رانش، بازده، مصرف سوخت و نویز پرواز مافوقصوت را در همه سرعتها بهبود میدهد.
به گزارش سرویس هوافضا تکناک،شرکت Astro Mechanica، با همکاری شرکت مهندسی بریتانیایی Helix، از پیشرفت مهمی در توسعهٔ یک موتور جت مافوقصوت هیبریدی–الکتریکی خبر داد که با استفاده از موتورهای الکتریکی radial-flux، بهدنبال حل یکی از پیچیدهترین چالشهای مهندسی در حوزهٔ هوانوردی مافوقصوت است.
این پروژه، که در نگاه نخست ممکن است غیرمتعارف به نظر برسد، بر پایهٔ منطق مهندسی دقیقی شکل گرفته است. شرکتAstro Mechanica اعلام کرده است که طراحی جدید این موتور، با جداسازی فرآیند تولید توان و پیشرانش، میتواند کارایی، انعطافپذیری و بازده سوخت را در تمامی مراحل پرواز بهطور محسوسی افزایش دهد.
ایدهٔ ترکیب فناوریهای متفاوت برای حل یک مشکل بنیادین، پیشینهای تاریخی دارد. در دههٔ ۱۹۴۰، گروهی از دانشمندان و افسران نیروی دریایی آمریکا، از جمله فرمانده لی لوئیس، فرمانده جی. هالورسون، اس. اف. سینگر و دکتر جیمز ای. ون آلن، سیستمی به نام rockoon را معرفی کردند که ترکیبی از راکت و بالون بود. این سامانه، با انتقال راکت به ارتفاع بالا توسط بلون، امکان عبور از لایههای متراکم جو را بدون مصرف زیاد سوخت فراهم میکرد و راهکاری عملی برای پرتاب ایمن راکت های کاوشگر علمی از دریا ارائه میداد.
مفهوم موتور هیبریدی–الکتریکی مافوقصوت نیز در ابتدا ممکن است واکنشی مشابه ایجاد کند، اما هدف آن، پاسخ به محدودیتهای جدی موتورهای مافوقصوت متداول است. موتورهای جت مافوقصوت کنونی، برای کار در سرعتهای بالاتر از Mach 1، نیازمند تغییر مسیر جریان هوا، کاهش سرعت و خنکسازی هوای ورودی هستند تا از آسیب دیدن اجزای موتور جلوگیری شود. این الزامات، معمولاً به طراحیهای پیچیده، پرصدا و کمبازده منجر میشود.
در بسیاری از موارد، این موتورها با مجموعهای از مصالحههای مهندسی روبهرو هستند. یک موتور، ممکن است در سرعتهای بالا عملکرد مناسبی داشته باشد، اما در سرعتهای پایین، هنگام برخاست یا فرود، ناکارآمد عمل کند. همچنین، نیاز به گیربکسهای سنگین، مصرف بالای سوخت و نویز زیاد، از جمله مشکلات رایج در این دسته از پیشرانهها محسوب میشود.
شرکت Astro Mechanica برای حل محدودیتها و ناکارآمدی موتورهای مافوقصوت سنتی، یک معماری پیشرانش کاملاً متفاوت طراحی کرده است که «Duality Propulsion System» نام دارد.. این سامانه، یک موتور تطبیقی توربوالکتریک با چرخهٔ ترکیبی است که در آن، تولید انرژی و ایجاد رانش، به دو مسیر مجزا اما همزمان تقسیم میشود. در این معماری، یک توربین گازی اختصاصی، تنها وظیفهٔ تولید برق را در سرعتهای زیرصوت بر عهده دارد و بهعنوان یک ژنراتور توربو عمل میکند.
این جداسازی وظایف، به مهندسان اجازه میدهد معماری توربین گازی را سادهتر طراحی کنند، زیرا این بخش، دیگر مستقیماً درگیر پیشرانش نیست. برق تولیدشده، به موتورهای الکتریکی منتقل میشود که نقش اصلی را در کنترل جریان هوا و فشردهسازی آن ایفا میکنند.
در همین نقطه، نقش شرکت Helix برجسته میشود. Helixموتورهای الکتریکی radial-flux (شار شعاعی)با چگالی انرژی بالا تولید میکند. این موتورها، در نسخهٔ نسل پنجم، توان خروجی تا 950 kW ارائه میدهند و در ابتدا، برای کاربردهایی مانند خودروهای فرمول E و ابرخودروهای الکتریکی توسعه یافته بودند.در موتور Astro Mechanica، این موتورهای الکتریکی، بخش کمپرسور یا فن را به حرکت درمیآورند که بهصورت یک دیسک پرهدار موسوم به blisk طراحی شده است.
این ساختار، امکان کنترل دقیق سرعت کمپرسور و جریان هوا را مستقل از شدت احتراق توربین گازی فراهم میکند و به موتور اجازه میدهد در هر سرعتی، بهینهترین حالت کاری را انتخاب کند.بر اساس توضیحات ارائهشده، این سامانه میتواند بسته به سرعت پرواز، مانند سه نوع موتور متفاوت عمل کند. در عملیات زمینی، شامل taxiing، برخاست، اوجگیری و پرواز کروز زیرصوت، موتور رفتاری مشابه یک توربوفن بسیار کارآمد دارد. در این حالت، bliskها هوا را شتاب میدهند و حتی میتوانند بدون فعال بودن توربوژنراتور روی باند عمل کنند که این موضوع، به کاهش صدا و مصرف سوخت کمک میکند.
با ورود هواپیما به محدودهٔ مافوقصوت، موتور به حالت توربوجت تغییر میکند. در این شرایط، احتراق فعال میشود تا رانش لازم برای سرعتهای بالا تأمین گردد، اما موتورهای الکتریکی همچنان کنترل دقیق کمپرسور را بر عهده دارند. این ویژگی، گذار نرمتر و پایدارتر به سرعت مافوقصوت را ممکن میسازد و بسیاری از مشکلات آیرودینامیکی موتورهای متداول را کاهش میدهد.در سرعتهای بالاتر از Mach 3، موتور وارد مرحلهای متفاوت میشود.
در این حالت، سامانه به پیکربندیای شبیه رمجت تغییر وضعیت میدهد که تقریباً فاقد قطعات متحرک است. در چنین سرعتهایی، هوا هنگام ورود به دهانهٔ موتور، بهطور طبیعی فشرده میشود و موتور بیشتر بهصورت یک کانال هدایتکنندهٔ جریان هوا عمل میکند. این وضعیت، به توربوژنراتور اجازه میدهد انرژی خود را به سامانههای دیگر اختصاص دهد.شرکت Astro Mechanica، که در کالیفرنیا مستقر است، اعلام کرده است که آزمایش نمونهٔ نسل چهارم این موتور در حال انجام است. این شرکت، برای انجام نخستین پرواز آزمایشی، بازهای حدود سه سال را هدفگذاری کرده است.
هدف بلندمدت این پروژه، دستیابی به برد فراتر از اقیانوس آرام برای سفرهای مسافری مافوقصوت، با هزینهای قابلدسترس و بهصورت درخواستی است. با این حال، تمرکز کوتاهمدت Astro Mechanica، بیشتر بر حوزههایی مانند دفاع ملی، قابلیت پرتاب مداری و حمل بار دوربرد قرار دارد.درک جوردانو-بیلی، مهندس ارشد هوافضا در Helix، در اظهاراتی رسمی اعلام کرد که این شرکت، به مشارکت خود در پروژهٔ Duality افتخار میکند.
او تأکید کرد که موتورهای الکتریکی Helix، با چگالی توان بالا، میتوانند نقش تعیینکنندهای در آیندهٔ هوانوردی و هوافضا داشته باشند و نشان دهند که برقی کردن ، نهتنها ممکن، بلکه از نظر مهندسی و اقتصادی، تحولآفرین است.
