موتور انفجار پالس (PDE) (pulse detonation engine)  یک سیستم محرکه است که در دهه گذشته به دلیل مزایای بی شماری که نسبت به موتورهای جت سنتی ارائه می دهد، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. PDE ها به صورت چرخه ای متناوب عمل می کنند و باعث ایجاد امواج انفجاری می شوند که مخلوط اکسید کننده سوخت را درون موتور می سوزاند، مقادیر زیادی انرژی آزاد می کند و فشارهای بسیار بالاتری را نسبت به یک فرآیند انفجار ایجاد می کند.

موتور انفجار پالس یک دستگاه پیشران ناپایدار است که در آن محفظه احتراق به صورت دوره ای با مخلوط گاز واکنشی پر می شود، انفجار آغاز می شود، انفجار در محفظه پخش می شود و گازهای حاصل از مصرف خالی می شوند. فشارهای زیاد و شار اندازه حرکت ناشی از محفظه باعث ایجاد رانش می شود. سطوح رانش نیمه پایدار را می توان با تکرار این چرخه در فرکانس نسبتاً بالا و / یا استفاده از بیش از یک محفظه احتراق خارج از فاز به دست آورد.

تصویر: شکل شماتیک موتور توربوجت

در موتورهای جت معمولی، هوا با استفاده از کمپرسور فشرده و سرعتش کم می شود و سپس با سوخت قبل از مرحله احتراق مخلوط می شود، که احتراق نیز یک فرایند مادون صوتی کند است. سپس محصولات داغ واکنش یک توربین را که کمپرسور را نیز به حرکت در می آورد، پیش از حرکت از میان یک نازل و در نتیجه تولید نیروی رانش، حرکت می دهند. این واقعیت که توربین و کمپرسور به هم متصل شده اند به این معنی است که موتور به تنهایی نمی تواند از حالت استراحت شروع به کار کند و نیاز به استفاده از استارت دارد تا قبل از این که موتور بتواند خود را پایدار کند، کمپرسور را به سرعت برساند. موتورهای جت از چرخه Brayton پیروی می کنند که نیاز به فشرده سازی هوا در فشارهای بالا قبل از امکان انتشار گرما دارند، در نتیجه به کمپرسور سنگین و ماشین آلات توربین نیاز دارند.

از طرف دیگر، PDE  ها را می توان به صورت تئوری از یک حالت ایستا تا یک عدد ماخ 5 به کار انداخت. PDE ها نیازی به تجهیزات روتور سنگین ندارند تا هوا را قبل از احتراق فشرده کنند، در نتیجه وزن و پیچیدگی کلی موتور کاهش می یابد. علاوه بر این، هندسه PDE ها بسیار ساده است، اساساً از یک لوله با دریچه های کنترل برای انتقال سیال تشکیل شده است. فرایند انفجار همچنین فشار و دمای بالاتری از واکنش ایجاد می کند و کارایی بهتری را ارائه می دهد. PDE ها شکاف بین رژیم زیر صوتی و رژیم مافوق صوت را، هنگامی که جت ها و راکت های فرار کار را به عهده می گیرند، پر می کنند. همانطور که در شکل مشاهده می شود،  PDE ها در تمام اعداد ماخ در مقایسه با موشک ها و موتورهای معمولی تنفس هوا، تکانه های خاص بالاتری را ارائه می دهند. 

تصویر: عدد ماخ در مقابل تکانش ویژه برای سیستم های مختلف پیشرانه

بنابراین، مطالعاتی در حال تلاش برای ادغام حالت احتراق پالسی در موشک ها، و حالت موتورهای جت فرار است که از افزایش عملکرد به دست آمده از فرایند انفجار شدید نسبت به فرآیند انفجار کُند استفاده می کند. همه موارد فوق دلیل انفجار مطالعات اخیر در زمینه انفجار و تحقیقات PDE است. این امر منجر به راه اندازی چندین برنامه تحقیقاتی رقابتی با هدف توسعه یک سیستم PDE فعال شده است.

تصویر: مراحل مختلف چرخه PDE در بالا نشان داده شده است.

تصویر: نمودارهای T-S و نمودارهای فشار در مقابل حجم ویژه برای چرخه های مختلف موتور. چرخه موتور Brayton Turbojet  در گوشه سمت راست پایین نشان داده شده است.

تفاوت بین انفجار و سوختن و سپس انفجار (یا انفجار شدید و انفجار کند)

انفجار شدید یک فرآیند احتراق مافوق صوت است در حالی که انفجار کند یک فرآیند احتراق زیر صوتی است. تقریباً همه موتورهایی که سوخت می سوزانند، برای آزاد کردن انرژی موجود در سوخت ها، از انفجار کند استفاده می کنند. در انفجار شدید، موج ضربه ای گاز را فشرده می کند که سپس با انتشار سریع گرما و افزایش ناگهانی فشار دنبال می شود. در نظریه چاپمن - ژوگه، موج انفجار شامل یک موج ضربه ای و یک جبهه شعله است. با عبور جبهه موج از گاز، گاز فشرده شده و واکنش شیمیایی در قسمت عقب جبهه موج تکمیل می شود. نظریه دیگری که به نظریه Zeldovich-von Neumann-Doering (ZND)  معروف است، از شیمی سرعت محدود برای توصیف مدل استفاده می کند. در مدلZND ، موج انفجار به عنوان یک موج ضربه ای و به دنبال آن یک جبهه عکس العمل به تصویر کشیده شده است، با منطقه القایی که این دو را از هم جدا می کند. در حقیقت، موج انفجار یک جبهه موج دو بعدی نیست، بلکه از موجک های کوچکتر تشکیل شده است، که ساختارهای سلولی به شکل الماس را در پشت خود ایجاد می کند.

یکی از عوامل مؤثر بر اجرای عملی PDE ها، مشکل در دستیابی به انفجارهای ثابت در محفظه احتراق، در طول لوله کوتاه است. شروع انفجار اغلب در مخلوط سوخت و هوا در لوله های کوتاه تر دشوار است و نیاز به افزودن مقدار زیادی انرژی دارد. یک روش مفیدتر، شروع یک احتراق انفجاری کُند و سپس هدایت واکنش به انفجار شدید با قرار دادن موانعی در مسیر است که باعث ایجاد اختلاط آشفته و همچنین سرعت بخشیدن به جریان می شود. فرایند تسریع موج فشار به یک موج انفجار کُند به عنوان گذار از انفجار کند به انفجار شدید (Deflagration to Detonation Transition (DDT)) شناخته می شود. مؤثرترین جسم القا کنندهDDT ، مارپیچ Shchelkin است که شبیه به یک فنر مارپیچ است. سایر دستگاه های DDT شامل صفحات دهانه و نازل های همگرا - واگرا هستند.

 

موتور انفجار پالس

گفتیم که PDE  نوعی سیستم پیشرانه است که از امواج انفجاری برای احتراق مخلوط سوخت و اکسید کننده استفاده می کند. موتور، پالس یا ضربان دارد زیرا مخلوط در محفظه احتراق باید بین هر موج انفجار و موج بعدی تجدید شود. از لحاظ تئوری، یک PDE می تواند از مادون سرعت صوت تا یک سرعت پرواز مافوق صوت تقریباً 5 ماخی عمل کند. یک طراحی PDE ایده آل می تواند بازده ترمودینامیکی بالاتری نسبت به سایر طرح ها مانند توربوجت و توربوفن داشته باشد زیرا موج انفجار به سرعت مخلوط را فشرده کرده و گرما را در حجم ثابت اضافه می کند. در نتیجه، اجزای متحرکی مانند قرقره کمپرسور لزوماً در موتور مورد نیاز نیستند، که این می تواند وزن و هزینه کلی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. PDE ها از سال 1940 برای پیشرانه در نظر گرفته شده اند. مسائل کلیدی برای توسعه بیشتر شامل مخلوط کردن سریع و کارآمد سوخت و اکسید کننده، جلوگیری از احتراق خود به خود و ادغام با ورودی و نازل است.
 
تا به امروز ، هیچ PDE عملیاتی تولید نشده است، اما چندین موتور آزمایشی ساخته شده است و یکی با موفقیت در هواپیمای نمایشی با سرعت کم که در پروازهای مداوم با PDE در سال 2008 پرواز می کرد، ادغام شد.
 
عملکرد اصلی PDE مشابه موتور پالس جت است. در جت پالس، هوا با سوخت مخلوط شده و مخلوطی قابل اشتعال ایجاد می کند که سپس در یک محفظه باز مشتعل می شود. احتراق حاصله فشار مخلوط را تا حدود 100 اتمسفر (10 مگاپاسکال) افزایش می دهد، که سپس از طریق یک نازل برای رانش منبسط می شود.
 
برای اطمینان از خروج مخلوط به عقب و در نتیجه هل دادن هواپیما به جلو، از یک سری کرکره برای بستن جلوی موتور استفاده می شود. تنظیم دقیق ورودی باعث می شود کرکره ها در زمان مناسب بسته شوند تا هوا مجبور شود در یک جهت فقط از میان موتور حرکت کند. برخی از طرح های جت پالس از یک حفره رزونانس تنظیم شده برای ارائه عمل سوپاپ از طریق جریان هوا در سیستم استفاده کردند. این طرح ها معمولاً شبیه یک لوله U شکل هستند که از دو طرف باز می شوند.
 
در هر یک از سیستم ها، جت پالس در طول فرآیند احتراق دچار مشکل می شود. همان طور که سوخت می سوزد و منبسط می شود و نیروی محرک ایجاد می کند، هر گونه شارژ باقی مانده را نیز از نازل به عقب می راند. در بسیاری از موارد برخی از شارژها قبل از سوزاندن پرتاب می شوند ، که همین باعث شد شعله مشهور در بمب پرواز V-1 و دیگر جت های پالس دیده شود. حتی در داخل موتور، حجم مخلوط به طور مداوم در حال تغییر است که به طور ناکارآمد سوخت را به انرژی قابل استفاده تبدیل می کند.
 
همه موتورهای معمولی جت و بیشتر موتورهای موشک بر اثر سوختن سوخت، یعنی سوختن سریع اما زیر صوتی سوخت، عمل می کنند. موتور انفجار پالس مفهومی است که در حال حاضر در حال توسعه برای ایجاد موتور جت است که بر روی انفجار مافوق صوت سوخت کار می کند. از آن جا که احتراق به سرعت انجام می شود، بار (مخلوط سوخت و هوا) در طول این فرایند زمان گسترش ندارد، بنابراین احتراق تحت حجم تقریباً ثابت اتفاق می افتد. احتراق با حجم ثابت کارآمدتر از طرح های چرخه باز مانند توربین های گازی است، که این منجر به راندمان بیشتر سوخت می شود.
 
از آن جا که فرآیند احتراق بسیار سریع است، تنظیم کرکره های مکانیکی با عملکرد مورد نیاز دشوار است. در عوض، PDE ها عموماً از یک سری شیر برای زمان بندی دقیق این فرآیند استفاده می کنند. در برخی از طرح های PDE از جنرال الکتریک، کرکره ها با استفاده از زمان بندی دقیق و با استفاده از اختلاف فشار بین مناطق مختلف موتور برای اطمینان از بیرون راندن "شلیک" به عقب حذف می شوند.
 
یکی دیگر از عوارض جانبی، که هنوز در استفاده عملی نشان داده نشده است، زمان چرخه است. یک پالس جت سنتی به دلیل زمان چرخه کرکره های مکانیکی، با سرعت 250 پالس در ثانیه به حداکثر می رسد، اما هدف PDE هزاران پالس در ثانیه است، آن قدر سریع که اساساً از نظر مهندسی پیوسته محسوب می شود. این امر می تواند موتور پالس جت با ارتعاش بالا را هموار و کم لرزش کند - پالس های کوچکِ زیاد، حجم کمتری در مقایسه با یک تعداد کمتر از پالس های بزرگ تر برای یک رانش خالص یکسان، ایجاد می کند. متأسفانه، انفجارهای شدید چندین برابر بلندتر از انفجارهای کند هستند.
 
مشکل اصلی در موتور انفجار پالس، شروع کردن به انفجار است. در حالی که می توان یک انفجار را مستقیماً با یک جرقه بزرگ شروع کرد، مقدار انرژی ورودی بسیار زیاد است و برای یک موتور کاربردی نیست. راه حل معمول استفاده از انتقال انفجار کند به انفجار شدید است - یعنی شروع یک انفجار با انرژی بالا، و از آن بخواهید یک لوله را تا حدی سریع کند که بتواند منفجر شود. متناوباً انفجار می تواند به دور یک دایره ارسال شود و دریچه ها، اطمینان حاصل می کنند که تنها بالاترین قدرت قله می تواند به اگزوز نشت کند. همچنین از سیستم انفجار فشرده سازی پالس می توان برای حل مشکل شروع استفاده کرد.
 
این فرایند به دلیل مقاومت در حال پیشروی در مقابل موج (شبیه به کشش موج) بسیار پیچیده تر از آن چیزی است که به نظر می رسد. اگر موانعی در لوله وجود داشته باشد، DDT  بسیار راحت تر رخ می دهد. بیشترین استفاده "مارپیچ شلکین" است که برای ایجاد مفیدترین گردابی با کمترین مقاومت در برابر مخلوط سوخت/هوا/اگزوز متحرک طراحی شده است. گردابها منجر به جدا شدن شعله به چند جبهه می شوند ، برخی از آنها به عقب برمی گردند و با جبهه های دیگر برخورد می کنند و سپس به جبهه های جلوتر از خود سرعت می دهند.
 
مدل سازی و پیش بینی رفتار دشوار است و تحقیقات در حال انجام است. همانند پالس جت های معمولی، دو نوع طرح اصلی وجود دارد: سوپاپ دار و بدون سوپاپ. طرح هایی که دارای سوپاپ هستند با همان مشکلات پوششی که در معادل پالس جت آنها برطرف می شود، برطرف می شوند. طرح های بدون سوپاپ معمولاً بر ناهنجاریهای جریان هوا تکیه می کنند تا جریان یک طرفه را تضمین کنند و در DDT معمولی دستیابی به آنها بسیار دشوار است.
 
ناسا یک برنامه تحقیقاتی در مورد PDE دارد که هدف آن سیستم های حمل و نقل غیرنظامی با سرعت بالا، حدود 5 ماخ است. با این حال بیشتر تحقیقات PDE جنبه نظامی دارد، زیرا می توان از موتور برای توسعه نسل جدیدی از هواپیماهای جاسوسی با سرعت بالا و دوربرد که به اندازه کافی پرواز می کنند و از محدوده هرگونه دفاع هوایی فعلی خارج هستند، در حالی که بردی به نحو قابل ملاحظه بیشتر از SR-71 را ارائه می دهند که برای استفاده در ناوگان عظیم پشتیبانی تانکر به آن نیاز است، استفاده کرد.
 
در حالی که بیشتر تحقیقات در مورد رژیم با سرعت بالا است، به نظر می رسد طرح های جدیدتر با نرخ تپش بسیار بالاتر در حد صدها هزار تپش حتی در سرعت های زیر صوت، نیز به خوبی کار می کنند. در حالی که طراحی موتورهای سنتی همیشه شامل مواردی است که آنها را در محدوده "بهترین سرعت" محدود می کند، به نظر می رسد که PDE در تمام سرعت ها از آنها بهتر عمل می کند. هر دو Pratt & Whitney و General Electric در حال حاضر برنامه های تحقیقاتی PDE فعال در تلاش برای تجاری سازی طرح ها دارند.
 
مشکلات اصلی در موتورهای انفجار پالس عبارتند از: دستیابی به DDT بدون نیاز به لوله ای است که به اندازه کافی طولانی و غیرقابل اجرا باشدکه باعث ایجاد کشش در هواپیما شود (افزودن خم U به داخل لوله، موج انفجار را خاموش می کند)؛ کاهش سر و صدا (که اغلب به صورت صدایی شبیه به چکش توصیف می شود) ؛ و میرایی ارتعاش شدید ناشی از عملکرد موتور.
انفجار شدید یک فرآیند احتراق مافوق صوت است در حالی که انفجار کند یک فرآیند احتراق زیر صوتی است. تقریباً همه موتورهایی که سوخت می سوزانند، برای آزاد کردن انرژی موجود در سوخت ها، از انفجار کند استفاده می کنند. در انفجار شدید، موج ضربه ای گاز را فشرده می کند که سپس با انتشار سریع گرما و افزایش ناگهانی فشار دنبال می شود.

اولین پرواز با قدرت  PDE

   
تصویر: عکس پرواز از انفجار تپنده ای که با قدرت انفجار شدید پالسی حرکت می کند و به شدت اصلاح شده است، Rutan Long-EZ  در 31 ژانویه 2008.
 
اولین پرواز شناخته شده هواپیما با موتور انفجار پالس در 31 ژانویه 2008 در بندر هوایی و فضایی Mojave انجام شد. این پروژه توسط آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی و شرکتInnovative Scientific Solutions ، توسعه یافت. هواپیمایی که برای پرواز انتخاب شد، Scaled Composites Long-EZ ، به نام Borealis  بود به شدت اصلاح شده بود. این موتور شامل چهار لوله بود که با فرکانس 80 هرتز انفجارهای پالس تولید می کردند و تا 200 پوند نیروی رانشی (890 نیوتون) ایجاد می کردند. در سال های اخیر بسیاری از سوخت ها توسط توسعه دهندگان موتور مورد بررسی و آزمایش قرار گرفتند، اما برای این پرواز از اکتان تصفیه شده استفاده شد. از یک سیستم موشکی کوچک برای تسهیل بلند شدن Long-EZ استفاده شد، اما PDE تحت قدرت خود به مدت 10 ثانیه در ارتفاع تقریبی 100 فوت (30 متر) عمل کرد. این پرواز با سرعت کم انجام شد در حالی که جذابیت مفهومی موتور PDE بیشتر در سرعت های بالا نهفته است، اما این نمایش نشان داد که یک PDE را می توان بدون ایجاد مشکلات ساختاری در امواج انفجاری 195 تا 200 دسی بل در قاب هواپیما ادغام کرد. پروازهای بیشتری برای Long-EZ اصلاح شده برنامه ریزی نشده است، اما این موفقیت به احتمال زیاد بودجه بیشتری را برای تحقیقات PDE تأمین می کند. خود هواپیما برای نمایش به موزه ملی نیروی هوایی ایالات متحده منتقل شده است.
 

در موشک سازی

اگر هم سوخت و هم اکسید کننده با وسیله نقلیه حمل شوند، موتور انفجار پالس مستقل از جو است و می تواند در پروازهای فضایی مورد استفاده قرار گیرد. در ژوئیه 2021، JAXA  موتور موشک انفجار پالس را با موفقیت در فضا آزمایش کرد.
 
منبع:
Aerodynamics Research Center