یکی از اخبار مهم در حوزه فناوری‌های پیشرفته هوافضا که در روزهای اخیر منتشر شد، خبر ساخت موتور رمجت توسط یک شرکت دانش‌بنیان فعال در زمینه پیشرانش هوایی بود که چندان مورد توجه قرار نگرفت. البته کمی قبل‌تر و در جریان بازدید رهبر معظم انقلاب اسلامی از نمایشگاه محصولات شرکت‌های دانش‌بنیان، تصویری از دو محصول شرکت فوق مشاهده شده بود که شامل یک موتور توربوجت (و احیاناً) بخش‌هایی از بدنه بیرونی یک موتور «رمجت» است.
بخش‌هایی از بدنه موتور رمجت ساخت یک شرکت دانش‌بنیان ایرانی
موتور رمجت (Ramjet) چیست؟
تمامی انواع موتورهای توربین گاز، موتورهای راکتی شامل سوخت مایع و جامد و نیز موتورهای رمجت، اسکرمجت و… پیشرانه‌هایی هستند که بر اساس قانون عمل و عکس‌العمل کار کرده و از جت خروجی سیال، نیروی رانش را ایجاد می‌کنند. در این بین، موتورهای توربین گاز به‌عنوان موتورهای هواتنفسی و موتورهای راکتی به‌عنوان پیشرانه‌هایی که سوخت و اکسیژن لازم برای احتراق را با خود حمل می‌کنند، بسیار پرکاربرد هستند. هر دو دسته این موتورها قابلیت کار در گستره بسیار وسیعی از سرعت شامل لحظه سکون وسیله تا سرعت‌های بالاتر از سرعت صوت را دارند.
اما بین این پیشرانه‌ها به‌جز راکت سوخت جامد، سایر انواع، دارای اجزاء متعدد مکانیکی بوده که هم هزینه تمام‌شده توسعه، ساخت و آزمایش را بالا می‌برند و هم برای کسب قابلیت اطمینان کافی در سری‌های تولیدی باز هم به صرف هزینه‌های بالا احتیاج است. هزینه‌های سنگین دیگری نیز برای دوره عمر این موتورها باید صرف نگهداری و تعمیرات شود.
شکل گرافیکی از اجزاء داخلی یک موتور توربین گازی توربوجت که از صدها قطعه متحرک ساخته شده است
اما موتور رمجت که ایده اولیه آن توسط یک مهندس فرانسوی در ۱۹۱۳ داده شد، به‌طور کلی یک محفظه تقریباً خالی است که تعدادی نازل سوخت‌پاش داخل آن قرار گرفته و به‌طور عمومی به هیچ جزء مکانیکی متحرک دیگری شامل کمپرسور، توربین، شفت و یا فن (در موتورهای توربوفن) احتیاج ندارد، در نتیجه این نوع موتور فرایند ساخت و تولید ساده‌تری داشته، سبک‌تر و کم‌حجم‌تر بوده و در دوره عمر نیز هزینه‌های پایینی دارد، به‌علاوه با توجه به اینکه پس از محترق شدن ترکیب هوا و سوخت به‌خلاف موتورهای توربین گاز که گاز داغ به توربین برخورد کرده و برای چرخاندن آن، بخشی از انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهد، در موتورهای رمجت، هیچ بخشی از انرژی جنبشی گاز حاصل از احتراق توسط هیچ جزئی گرفته نمی‌شود زیرا قطعه متحرکی وجود ندارد که به‌واسطه توربین نیاز به چرخاندن آن وجود داشته باشد.
شکل گرافیکی یک موتور رمجت
اما این نوع موتورها دارای یک مشکل بزرگ هستند و آن اینکه برای شروع کار خود، نیاز به دریافت انرژی از منبع بیرونی دارند، به‌بیان ساده‌تر، این موتورها باید توسط موتور دیگری به حرکت درآیند و پس از رسیدن به سرعت مشخصی، قابلیت کار خواهند داشت.
مشکل دیگر این موتورها، پیچیدگی‌های خاص دانشی در مرحله توسعه است تا موتوری با عملکرد بهینه حاصل شود. البته راه دیگر، استفاده از سطوح متحرک در ورودی و خروجی این موتورها برای ایجاد کنترل بهتر روی فرایند تولید نیروی پیشران است.
یکی دیگر از چالش‌های توسعه موتورهای رمجت، دشواری کنترل فرایند احتراق در آنها نسبت به موتورهای توربینی که از چندین محفظه احتراق بهره می‌برند است، در واقع رمجت‌ها تنها از یک محفظه احتراق استفاده می‌کنند که آن هم خود بدنه داخلی موتور است. مشکل دیگر همین‌جا بروز می‌کند و آن هم مسائل مربوط به انتقال حرارت داخل موتور و مواد مقاوم به حرارت است.
تفاوت موتورهای اسکرمجت با رمجت نیز در رخ دادن فرایند احتراق در سرعت مافوق صوت در این موتورها است در حالی که در موتور رمجت، سرعت هوا به زیر سرعت صوت در داخل موتور کاهش یافته و احتراق در سرعت فروصوت ولی بالاتر از سرعت جریان در محفظه احتراق موتورهای توربین گاز به انجام می‌رسد. همین لزوم کاهش سرعت در موتور رمجت، عامل کاسته شدن از کارایی آن است به‌طوری که در سرعت‌های بالای ۵ ماخ، موتورهای رمجت، بازدهی بسیار پایینی دارند زیرا باید سرعت هوا در داخل آن، به یک‌پنجم کاهش یابد. برای بهبود عملکرد در این شرایط، موتورهای اسکرمجت توسعه یافتند.
لازم به ذکر است توسعه موتورهای اسکرمجت همچنان یکی از موضوعات مورد بررسی بین زمینه‌های تحقیقاتی در نیروی هوایی آمریکا است.
نمای نزدیک بخشی از بدنه موتور رمجت ساخت ایران
بر اساس توضیحات فوق می‌توان نتیجه گرفت که متخصصان کشورمان موفق به دستیابی و پیاده‌سازی دانش طراحی موتورهای رمجت، کنترل فرایند احتراق در آنها و مواد مقاومت به حرارت برای ساخت این نوع موتور شده‌اند.
نکته مهم‌تر و بسیار امیدبخش، دستیابی به این فناوری‌ها و ساخت محصول در یک شرکت دانش‌بنیان است که در صورت حمایت و تثبیت رویه مشابه در شرکت‌های دیگر، قطعاً به شتاب بسیار بیشتر در توسعه محصولات دفاعی کشور با فناوری‌های روز و کارایی بالا می‌انجامد. گام بعدی قابل اجرا در این چنین شرکت‌هایی در صورت حمایت، توسعه اولین موتور اسکرمجت ایرانی می‌تواند باشد.
بخشی از بدنه موتور رمجت ایرانی
کاربرد موتورهای رمجت
با توجه به مطالب فوق و اینکه موتورهای رمجت در صورت طراحی صحیح، بازدهی بالاتری نسبت به موتورهای توربین گاز دارند، علاقمندی بالایی برای به‌کارگیری آنها در موشک‌ها و برخی پهپادها وجود دارد.
چندین نوع موشک پدافند هوایی ساخت انگلیس، آمریکا و شوروی سابق، چند نوع موشک هوا به سطح ضدکشتی و ضدرادار و نیز موشک هوا به هوا با این نوع موتور در دنیا ساخته شده است. در مجموع کشورهای آمریکا، انگلیس، فرانسه، روسیه، چین، تایوان و ژاپن از جمله کشورهایی هستند که موشک‌هایی را با موتور رمجت توسعه داده‌اند.
پهپادهایی که از موتورهای راکتی برای تأمین انرژی اولیه استفاده می‌کنند نیز کاندیدای به‌کارگیری موتورهای رمجت هستند. البته با توجه به اینکه برتری و کارایی موتورهای رمجت در سرعت‌های بالا بیشتر است، در پهپادهایی که برای سرعت‌های فراصوت طراحی می‌شوند مانند پهپادهای هدف این نوع موتور عملکرد بهتری نسبت به انواع توربوجت دارد.
دو نمونه از هواپیماهای سرنشین‌دار و بدون سرنشین برخوردار از موتور رمجت، SR-71 و D-21 هستند که هر دو ساخت شرکت لاکهید و با مأموریت شناسایی بودند. این هواپیماها به سرعت پروازی بالای ۳ ماخ دست می‌یافتند. هواپیمای SR-71 از موتور ترکیبی توربوجت و رمجت استفاده کرده و پهپاد D-21 نیز توسط یک هواپیما یا بوستر راکتی، مأموریت خود را شروع می‌کرد.
پهپاد D-21 (بالا) و هواپیمای SR-71 (پایین)
خانواده موشک‌های ۳M9 مورد استفاده در سامانه مشهور پدافند هوایی سام‌ــ۶ روسی که ساخت آن به دهه ۱۹۶۰ میلادی بازمی‌گردد یکی از پرتولیدترین محصولات موشکی با موتور رمجت است. البته یک موتور راکتی سوخت جامد، انرژی اولیه برای حرکت این موشک از سرعت و ارتفاع صفر را تأمین می‌کند.
همچنین بین محصولات جدید موشکی می‌توان به موشک هوا به هوای میان‌برد اروپایی متئور اشاره کرد که از موتور رمجت استفاده کرده و به برد اعلام‌شده ۱۵۰ کیلومتر دست می‌یابد. این موشک ۱۹۰کیلوگرمی از سال ۲۰۱۶ وارد خدمت شده است.
موشک هوابه‌هوای متئور
همچنین موشک‌های کروز خصوصاً انواع ضدکشتی نیز از جمله مشتریان استفاده از موتورهای رمجت هستند. موشک ضدکشتی فراصوت مشهور روسی P-800 اونیکس که به نام یاخونت نیز معروف است، از موتور رمجت برای مراحل پروازی پس از سرعت گرفتن توسط یک شتاب‌دهنده سوخت جامد راکتی استفاده می‌کند.
این موشک توانایی رسیدن به سرعت ۱٫۲ تا ۲٫۵ ماخ (۲٫۵ برابر سرعت صوت) را دارد. نمونه مشترک هند و روسیه از این موشک به‌نام براهموس نیز با سرعت ۲٫۸ ماخ توسعه یافته است. برای مقایسه باید گفت سرعت موشک‌های ضدکشتی کروز فعلی معرفی‌شده ایران در محدوده زیر یک ماخ است.
موشک مشهور یاخونت
یکی دیگر از موشک‌های مشهور ضدکشتی که هم به‌صورت سطح به سطح و هم هوا به سطح استفاده می‌شود و از پیشرانه رمجت استفاده می‌کند، موشک P-270 موسکیت است که به نام سانبرن نیز شناخته می‌شود. این موشک با سرعت ۳ برابر سرعت صوت حرکت کرده و به برد بیشینه ۲۵۰ کیلومتر دست می‌یابد. این موشک چهار ورودی هوا در اطراف بدنه خود دارد که هوای لازم برای موتور رمجت را تأمین می‌کنند.
موشک سانبرن
بنابراین دستیابی متخصصان کشورمان به فناوری طراحی و ساخت موتورهای رمجت، امکان دستیابی به موشک‌های ضدکشتی فراصوت بدون استفاده از موتورهای توربین گاز را تسهیل می‌کند و صرفه‌جویی وزنی حاصل از حذف موتورهای توربین گاز، صرف حمل سوخت بیشتر برای دستیابی به سرعت و برد مدنظر طراح می‌شود.
همچنین امکان ساخت پهپادهای با سرعت فراصوت خصوصاً برای عملیات هدف پروازی و یا در صورت نیاز برای عملیات‌های شناسایی نیز با ساخت موتورهای رمجت برای صنعت دفاعی کشور با دشواری‌های کمتری ممکن می‌شود.
