تصور کنید یک هواپیما با سرعتی بیش از 12 ماخ، که دوازده برابر سرعت صوت است، در آسمان حرکت می کند! این هواپیما نه تنها با سوخت جت معمولی کار نمی کند، بلکه از سوخت هیدروژن بهره می برد که به معنای صفر درصد انتشار CO₂ است. شاید این موضوع شبیه داستان های علمی تخیلی به نظر برسد، اما ممکن است به زودی به واقعیت بپیوندد. این دقیقاً همان هدف بلندپروازانه شرکت Hypersonix Launch Systems (HLS) مستقر در بریزبن، استرالیا است که در حال گشودن مرزهای جدیدی در پروازهای فوق سریع است. در این مقاله، به وعده وسایل نقلیه هایپرسونیک با سوخت هیدروژنی، چالش های مهندسی مرتبط با آن، تاریخچه پشت این فناوری و وضعیت فعلی آن ها خواهیم پرداخت.

تا کنون تحقیقات بنیادی، پروژه های دفاعی و تعداد محدودی پرواز آزمایشی، رقابت برای دستیابی به پرواز هایپرسونیک را تحت سلطه خود داشته اند. اما اکنون شرکتی ظهور کرده که موتورهای اسکرم جت با سوخت هیدروژن را برای پلتفرم های عملیاتی هدف قرار داده است. چرا هیدروژن؟ چرا هایپرسونیک؟ و چه اتفاقی رخ می دهد وقتی این دو فناوری با یکدیگر ترکیب شوند؟ ما بررسی خواهیم کرد چگونه Hypersonix تلاش دارد اولین جت هایپرسونیک جهان با سوخت هیدروژنی را بسازد، آنچه تاکنون می دانیم و چگونگی جایگاه این پیشرفت ها در تاریخ گسترده تر هوانوردی و هوافضا.

پرواز هایپرسونیک، که معمولاً به عنوان سرعت هایی بیش از ماخ 5 تعریف می شود، یکی از بزرگ ترین چالش های حوزه هوافضا محسوب می شود: این پرواز مستلزم مواجهه با دماهای بسیار بالا، پیشرانه ای مبتنی بر هوا، مواد پیشرفته و نیازهای انرژی عظیم است. برای دهه ها بیشتر وسایل نقلیه هایپرسونیک یا توسط موشک تقویت شده اند (غیرهواتنفسی) یا توسط اسکرم جت هایی که با کروسن یا دیگر سوخت های هیدروکربنی کار می کنند.

اما گرایش جدید به آزمایش با سوخت هیدروژن معطوف شده است. وب سایت Hypersonix تصریح می کند که موتورهای این کمپانی با سوخت هیدروژن برای سرعت های بالاتر از ماخ کار می کنند و هنگام استفاده از هیدروژن سبز تنها گاز H₂O تولید می کنند. موتور اسکرم جت این شرکت که SPARTAN نام دارد، در منابع عمومی به عنوان چاپ سه بعدی شده، قابل استفاده مجدد، قادر به دستیابی به سرعت ماخ 12 بدون اجزای متحرک توصیف شده است.

ایده اصلی این است که چگالی انرژی بالای هیدروژن نسبت به جرم واحد و خروجی پاک آن (آب به جای CO₂)، آن را برای پروازهای سریع در جو زمین ایده آل می کند. ترکیب این ویژگی ها با اسکرم جت (رمجت احتراقی مافوق صوت) یک سیستم پیشرانه ایجاد می کند که هوا را با سرعت مافوق صوت وارد کرده، با هیدروژن مخلوط می کند و می سوزاند.

البته هدف گذاری سرعتی دوازده برابر سرعت صوت همچنان بسیار بلندپروازانه است. گزارشی در Interesting Engineering مدعی است که Hypersonix در حال توسعه اولین جت مافوق صوت جهان با سوخت هیدروژن است و ماخ 12 را به عنوان هدف سرعت خود تعیین کرده است.

به طور خلاصه، چشم انداز این پروژه ساخت یک هواپیمای مافوق صوت قابل استفاده مجدد با سوخت هیدروژن یا شاید اولین جت مافوق صوت از نوع خود باشد، که پیامدهای مهمی برای صنعت دفاعی، فضانوردی، حمل ونقل سریع و پایداری خواهد داشت.

از بسیاری جهات، قلب داستان، موتور آن است: اسکرم جت SPARTAN. این موتور توسط Hypersonix توسعه یافته و گفته شده که به صورت سه بعدی چاپ شده، هوا-تنفسی بوده، با سوخت هیدروژن کار می کند و هدفش رسیدن به سرعت های تا 12 ماخ بدون نیاز به اجزای متحرک است.

جزییات پلتفرم :

در اینجا جدول خلاصه شده با جزییات آمده است:

چالش های فنی این پروژه بسیار چشمگیر هستند: نصب یک موتور اسکرمجت، تزریق سوخت هیدروژنی در سرعت های بالا، مدیریت بارهای حرارتی شدید و استفاده از روش های تولید افزایشی (چاپ سه بعدی) همگی نشان دهنده پیشرفتی تحول آفرین در مهندسی هوافضا هستند.

در حالی که Hypersonix افق های جدیدی را در زمینه پرواز هایپرسونیک می گشاید، ریشه های پرواز با سوخت هیدروژنی و موتورهای هواتنفسی مافوق صوت به چندین دهه قبل بازمی گردد.

پرواز با سوخت هیدروژنی : از دهه 1950 تاکنون هیدروژن به عنوان یک سوخت بالقوه برای هوانوردی مطرح بوده است. برخی پروازهای آزمایشی موفقیت آمیز نیز اخیراً با موتورهای آزمایشی مجهز به سوخت هیدروژنی در هوانوردی منطقه ای و عمومی انجام شده اند. مزایای استفاده از هیدروژن شامل انرژی ویژه بالا و احتراق پاک (تولید بخار آب به جای CO₂) است. چالش ها شامل تولید و ذخیره سازی هیدروژن (به صورت مایع یا تحت فشار بالا)، نیاز به حجم مناسب و عایق بندی دقیق و ادغام آن با محدودیت های طراحی هواپیما می شود که نهایتاً امکان دستیابی به سرعت های مافوق صوت را فراهم می کند.

مفهوم هواپیمایی بدون آلایندگی اغلب از سوخت هیدروژنی به عنوان راهکاری بالقوه یاد می کند. برای مثال نسخه مفهومی Zero Emission Hyper Sonic Transport (ZEHST) که توسط EADS/JAXA در سال 2011 پیشنهاد شد، سرعتی معادل ~4.5 ماخ را با استفاده از ترکیب موتورهای مختلف و سوخت هیدروژنی تصویر می کرد. همچنین ایرباس تحقیقات خود را برای توسعه هواپیماهای مادون صوت معمولی با نیروی محرکه ی مبتنی بر هیدروژن ادامه می دهد که مناسب حمل مسافر و بار باشد.

موتورهای مافوق صوت هواتنفسی (اسکرم جت ها و فراتر از آن) : استرالیا بیش از دو دهه است که این فناوری را مورد تحقیق قرار داده. پروژه دانشگاهی HyShot (مرکز تکنولوژی مافوق صوت دانشگاه کویینزلند استرالیا) در اوایل دهه 2000 توانست احتراق مافوق صوت تحت شرایط پرواز را به تصویر بکشد. ایده اسکرم جت ها یا رمجت های احتراق مافوق صوت در بسیاری از برنامه های دفاع ملی و پرتاب فضایی بررسی شده است.

Hypersonix این دو مسیر را ترکیب کرده است: سوخت هیدروژنی و پیشران مافوق صوت اسکرمجت. این شرکت تلاش دارد تا این دو را در پلتفرم های عملیاتی ادغام کند.

این ترکیب اهمیت بسیاری دارد: سوخت هیدروژنی سبک تر است که اجازه می دهد شتاب خروجی بیشتری (از نظر تئوری) حاصل شود؛ هنگامی که در معماری اسکرمجت اعمال شود، امکان دستیابی به محدوده بالاتر از 8 ماخ تا 10-12 ماخ فراهم می شود؛ برخلاف محدوده 2-4 ماخ در اکثر جت های مافوق صوت.

عدد چشمگیر 12 ماخ (تقریباً 12 برابر سرعت صوت) نه تنها به عنوان یک هدف فنی بلکه به عنوان ابزاری برای ارسال پیام عمل می کند. اما این عدد چه معنایی دارد و علم پشت این اعداد چیست؟

بیایید به آن نگاهی دقیق تر بیندازیم. 1 ماخ تقریباً معادل 1,235 کیلومتر در ساعت (در سطح دریا) است. بنابراین 12 ماخ حدوداً برابر با 14,820 کیلومتر در ساعت خواهد بود (در سطح دریا، در حالی که سرعت 12,000 کیلومتر در ساعت مربوط به ارتفاع 30,000 متر است). در چنین سرعت هایی، هواپیما تقریباً 245 کیلومتر را در هر دقیقه طی می کند. برای مقایسه، ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) زمین را با سرعتی حدود 22 ماخ (27,600 کیلومتر در ساعت) دور می زند. تصور کنید فاصله بین قاره ها را در کمتر از یک ساعت با چنین سرعت های کیهانی پیمود!

در عین حال، چالش های فنی شامل تمامی موارد مرتبط با فیزیک و محدودیت های آن می شود. در سرعت 12 ماخ، شما وارد چیزی می شوید که مهندسان جوی آن را رژیم مافوق صوت می نامند: پرواز در جو زمین و نه فضا به این معناست که بارهای حرارتی بر روی بدنه هواپیما بسیار شدید هستند، مولکول های هوا شروع به تجزیه شدن می کنند، موج های شوک میدان جریان را تحت سلطه قرار می دهند و کارکرد موتور (ورودی هوا، محفظه احتراق و خروجی) به شدت پیچیده می شود.

به همین دلیل دستیابی به سرعت مافوق صوت در فضا آسان تر بوده اما نه در جو متراکم زمین. مواد باید فشارهای حرارتی شدیدی را تحمل کنند و طراحی آیرودینامیکی باید پایداری خود را در سرعت ها و ارتفاعات بالا حفظ کند. استفاده از سوخت هیدروژن نیز پیچیدگی های دیگری را معرفی می کند: ذخیره سازی برودتی یا تحت فشار بالا، مدیریت سوخت در سرعت های بالا و ترکیب/احتراق هیدروژن در جریان هوای مافوق صوت.

اما چرا هیدروژن مفید است؟ طبق ادعای Hypersonix، هیدروژن امکان دستیابی به اعداد ماخ بالاتر را فراهم می کند زیرا انرژی ویژه بیشتری دارد و خروجی پاک تری تولید می کند. وب سایت این کمپانی تصریح می کند: پیشرانه اسکرمجت هواتنفسی بدون قطعات متحرک؛ سوخت هیدروژنی برای دستیابی به ماخ بالاتر.

چرا اهمیت دارد: پیامدهای عملی رسیدن به ماخ 10 تا 12 چندگانه هستند:

آنچه که درباره وضعیت کنونی برنامه Hypersonix می دانیم چیست و چگونه با دیگر ابتکارات مقایسه می شود؟

وضعیت کنونی Hypersonix : این شرکت اخیراً موفق به جمع آوری 46 میلیون دلار آمریکا سرمایه (Series A) شده است تا توسعه هواپیما و موتور هایپرسونیک هیدروژنی خود را تسریع بخشد. طبق گزارش Aerospace Testing International، این بودجه برای موارد زیر تخصیص یافته است: پرتاب DART AE تحت برنامه HyCAT ایالات متحده با حمایت ناسا، ارتقای قابلیت های تولید پیشرفته در کویینزلند، و توسعه فناوری VISR.

اما Hypersonix تنها شرکتی نیست که در حوزه تحقیقات پرواز هایپرسونیک فعالیت می کند. تلاش های دیگری نیز در سطح جهانی برای پیشرانه های مافوق صوت در حال انجام هستند؛ به عنوان مثال، شرکت فرانسوی-سوییسی Destinus Aerospace (Destinus) در حال توسعه یک هواپیمای بدون سرنشین هایپرسونیک با سوخت هیدروژنی و یک هواپیمای مسافربری با شرایطی مشابه است.

در حال حاضر، بیشتر برنامه های سنتی مافوق صوت (به ویژه در کاربردهای نظامی) از اسکرم جت های سوخت نفت سفید یا بوسترهای راکتی به همراه حامل گلایدری استفاده می کنند. رویکرد منحصربه فرد Hypersonix ترکیب هیدروژن و اسکرم جت برای پلتفرم های عملیاتی است.

در زمینه گسترده تر هوافضا و دفاع، بسیاری از کشورها سرمایه گذاری های سنگینی در فناوری مافوق صوت انجام داده اند (از جمله ایالات متحده، چین، روسیه و استرالیا)، هم برای اهداف استراتژیک و هم تجاری.

با این حال، چالش های فراوانی برای تحقق این فناوری علمی-تخیلی وجود دارد. اولاً، پروازهای آزمایشی هنوز انجام نشده اند؛ اهداف اعلام شده مانند رسیدن به سرعت 12 ماخ هنوز در پروازهای پایدار جوی اثبات نشده اند. دوم اینکه ذخیره هیدروژن داخل هواپیما چالش هایی نظیر حجم زیاد، نیاز به عایق بندی ویژه، سیستم های برودتی و فشار بالا را ایجاد می کند که وزن و پیچیدگی سیستم را افزایش می دهد. علاوه بر این، حامل های مافوق صوت هواتنفسی قابل استفاده مجدد به طور طبیعی پیچیده تر از بسترهای آزمایشی یکبار مصرف هستند؛ بنابراین انتقال به یک جت کاملاً عملیاتی بسیار دشوار خواهد بود. همچنین مدیریت حرارت، عمر موتور، خستگی مواد و کنترل آیرودینامیکی در سرعت های بالای هایپرسونیک همچنان موضوعات تحقیقاتی فعال هستند.

بنابراین اگرچه جاه طلبی ها واقعی هستند اما عملیاتی شدن کامل این فناوری همچنان در مراحل پیشرفت قرار دارد. با این حال، واقعیت اینکه Hypersonix توانسته بودجه عمده ای تأمین کند و تحت قرارداد برنامه DIU/HyCAT ایالات متحده قرار گیرد نشان دهنده اعتماد صنعت به این پروژه است.

پتانسیل پرواز های مافوق صوت با سوخت هیدروژن فراتر از شکستن رکوردهای سرعت است. اگر شرکت Hypersonix موفق شود، پیامدهای آن می تواند صنعت حمل ونقل جهانی، دفاع و دسترسی به فضا را متحول کند. یک جت مجهز به سوخت هیدروژنی که قادر به رسیدن به سرعت 12 ماخ باشد، می تواند سفرهای بین قاره ای را از چند ساعت به چند دقیقه کاهش دهد و امکان انتقال مسافران یا بار بین قاره ها را در زمانی که برای تماشای یک فیلم کوتاه کافی است، فراهم کند. در حوزه لجستیک، همین سرعت می تواند تجهیزات حیاتی و منابع مورد نیاز را تقریباً به طور فوری در سراسر جهان تحویل دهد. در همین حال، در صنعت فضایی، وسایل نقلیه هایپرسونیک قابل استفاده مجدد می توانند به عنوان مرحله اول سیستم های پرتاب مداری عمل کنند و هزینه ها و انتشار گازهای آلاینده را کاهش دهند.

برای صنعت هواپیمایی، هیدروژن نه تنها جایگزینی پاک تر بلکه محرکی برای عملکرد بالاتر محسوب می شود. چگالی انرژی بالای این سوخت امکان رانش پایدار در سرعت های هایپرسونیک را فراهم کرده و تنها بخار آب را هنگام احتراق با اکسیژن تولید می کند. موتور SPARTAN نمونه ای از تعادل بین سرعت بالا و پایداری است؛ یعنی پرواز سبز و سرعت بی سابقه می توانند همزمان وجود داشته باشند. تمرکز شرکت استرالیایی سازنده بر قابلیت استفاده مجدد نیز اهمیت زیادی دارد: اگر وسایل نقلیه مافوق صوت بتوانند بارها پرواز کنند و تنها برای آزمایش های مصرفی استفاده نشوند، اقتصاد پرواز های سریع ممکن است به طور چشمگیری تغییر کند و راه برای تجاری سازی این فناوری باز شود.

همان طور که دکتر مایکل اسمارت، یکی از بنیانگذاران Hypersonix توضیح می دهد، SPARTAN فراتر از یک سیستم رانش است؛ این یک پیشرفت بزرگ در پرواز های هایپرسونیک قابل استفاده مجدد است.

سخنان او چشم اندازی وسیع تر را نشان می دهد: جایی که قدرت پاک هیدروژنی، تولید کارآمد و سرعت انقلابی با هم ترکیب شوند تا بستری عملی برای صنعت هواپیمایی ایجاد کنند. با پیشرفت برنامه های DART AE و VISR و انتقال موتورهای اسکرمجت هیدروژنی از آزمایشگاه ها به باند پرواز، مرز بین علم هوافضای امروز و سفر هوایی آینده شروع به محو شدن کرده است. دوران پرواز های پایدار مافوق صوت ممکن است زودتر از آنچه انتظار داشتیم فرا برسد.