اولین جت مافوق‌صوت جهان با سوخت هیدروژنی؛ ۱۲ برابر سرعت صوت

هواپیمایی که با سرعتی حیرت‌انگیز—بیش از ۱۲ برابر سرعت صوت—در آسمان حرکت می‌کند؛ آن‌هم بدون هیچ‌گونه انتشار CO₂ و با سوختی پاک مثل هیدروژن! شاید چنین توصیفی بیشتر شبیه فیلم‌های علمی‌تخیلی باشد، اما شرکت استرالیایی Hypersonix Launch Systems (HLS) در تلاش است این رویا را بسیار زودتر از انتظار به واقعیت تبدیل کند.

این هواپیما نه تنها با سوخت جت معمولی کار نمی‌کند، بلکه از سوخت هیدروژن بهره می‌برد که به معنای صفر درصد انتشار CO₂ است. شاید این موضوع شبیه داستان‌های 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، چالش‌های مهندسی مرتبط با آن، تاریخچه پشت این فناوری و وضعیت فعلی آن‌ها خواهیم پرداخت.

تا کنون تحقیقات بنیادی، پروژه‌های دفاعی و تعداد محدودی پرواز آزمایشی، رقابت برای دستیابی به پرواز هایپرسونیک را تحت سلطه خود داشته‌اند. اما اکنون شرکتی ظهور کرده که موتورهای اسکرم‌جت با سوخت هیدروژن را برای پلتفرم‌های عملیاتی هدف قرار داده است. چرا هیدروژن؟ چرا هایپرسونیک؟ و چه اتفاقی رخ می‌دهد 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 می‌دانیم و چگونگی جایگاه این پیشرفت‌ها در تاریخ گسترده‌تر هوانوردی و هوافضا.

چشم‌انداز: ترکیب قدرت هایپرسونیک و پایداری هیدروژن

پرواز هایپرسونیک به سرعت‌های بالاتر از ۵ ماخ گفته می‌شود و یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های مهندسی هوافضا محسوب می‌شود. این نوع پرواز نیازمند غلبه بر دماهای بسیار بالا، استفاده از مواد پیشرفته و تأمین انرژی عظیم از طریق پیشرانه‌های هوا-تنفس است.

برای دهه‌ها، پروازهای هایپرسونیک عمدتاً با استفاده از موشک‌ها (غیر هواتنفسی) یا موتورهای اسکرم‌جتی که با سوخت‌های هیدروکربنی کار می‌کردند، انجام می‌شد. اما گرایش جدید، به سمت استفاده آزمایشی از سوخت هیدروژن معطوف شده است.

مزیت‌های کلیدی استفاده از هیدروژن:

• سوخت پاک: موتورهای Hypersonix در هنگام استفاده از هیدروژن سبز، تنها بخار آب (H2O) تولید می‌کنند و هیچ گونه آلایندگی CO2 ندارند.
• چگالی انرژی بالا: هیدروژن نسبت به جرم واحد، چگالی انرژی بالایی دارد و به دلیل خروجی پاک، آن را برای پروازهای سریع در جو زمین ایده‌آل می‌کند.

تکنولوژی پیشرانه: قلب تپنده این پروژه، موتور اسکرم‌جت SPARTAN است. این موتور با قابلیت چاپ سه‌بعدی و قابلیت استفاده مجدد، بدون هیچ‌گونه قطعه متحرک طراحی شده است تا بتواند به سرعت‌های تا ماخ ۱۲ دست یابد.

ترکیب اسکرم‌جت با سوخت هیدروژنی یک سیستم پیشران ایجاد می‌کند که هوا را با سرعت مافوق صوت جذب کرده، با هیدروژن ترکیب و آن را محترق می‌سازد. هدف‌گذاری سرعت “دوازده برابر سرعت صوت” جاه‌طلبانه است و پیامدهای مهمی برای حمل‌ونقل سریع، پایداری، صنعت دفاعی و فضانوردی خواهد داشت. این پروژه به دنبال ساخت اولین جت مافوق صوت قابل استفاده مجدد با سوخت هیدروژن است.

موتور و پلتفرم‌های کلیدی: SPARTAN، DART و VISR

در بسیاری جهات، موتور اسکرم‌جت SPARTAN قلب این داستان است. این موتور که توسط Hypersonix توسعه یافته، به صورت سه‌بعدی چاپ شده، هوا-تنفس بوده و با سوخت هیدروژن کار می‌کند. هدف آن رسیدن به سرعت‌های تا ۱۲ ماخ بدون نیاز به اجزای متحرک است.

پلتفرم‌های عملیاتی اصلی:

DART AE: یک مدل آزمایشی ۳.۵ متری است که از موتور SPARTAN نیرو می‌گیرد و قرار است تحت برنامه HyCAT متعلق به واحد نوآوری دفاعی آمریکا (DIU) پرواز کند.

VISR: یک هواپیمای بزرگ‌تر کاملاً قابل استفاده مجدد به طول ۸ متر است که با سوخت هیدروژن طراحی شده و برای مأموریت‌های اطلاعاتی، نظارتی و شناسایی (ISR) با استفاده از چهار موتور SPARTAN و کامپوزیت‌های ماتریکس سرامیکی دمای بالا به کار می‌رود.

Delta Velos: نسل بعدی سیستم پرتاب با قابلیت استفاده مجدد و کادانس بالا است که باز هم با سوخت هیدروژن کار کرده و هدفش دستیابی به سرعت ۱۲ ماخ می‌باشد.

چالش‌های فنی این پروژه بسیار چشمگیر هستند؛ نصب موتور اسکرم‌جت، تزریق سوخت هیدروژنی در سرعت‌های بالا، مدیریت بارهای حرارتی شدید و استفاده از روش‌های تولید افزودنی (چاپ سه‌بعدی) همگی نشان‌دهنده پیشرفتی تحول‌آفرین در مهندسی هوافضا هستند.

تاریخچه استفاده از هیدروژن و فناوری مافوق‌صوت

در حالی که Hypersonix افق‌های جدیدی را در پرواز هایپرسونیک می‌گشاید، ریشه‌های این فناوری‌ها به دهه‌ها قبل بازمی‌گردد.

استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت بالقوه در هوانوردی از دهه ۱۹۵۰ مطرح شده است. مزایای اصلی آن شامل انرژی ویژه بالا و احتراق پاک است. با این حال، چالش‌های عمده‌ای نظیر ذخیره‌سازی هیدروژن (به صورت مایع یا فشار بالا) و عایق‌بندی دقیق، همچنان موانع مهمی هستند. بسیاری از شرکت‌ها در مفهوم هواپیماهای بدون آلایندگی به هیدروژن به عنوان راه‌حلی کلیدی نگاه کرده‌اند.

پرواز با سوخت هیدروژنی: از دهه ۱۹۵۰ تاکنون، هیدروژن به عنوان یک سوخت بالقوه برای هوانوردی مطرح بوده و پروازهای آزمایشی موفقیت‌آمیزی نیز اخیراً با آن انجام شده است. مزایای آن شامل انرژی ویژه بالا و احتراق پاک است. چالش‌ها همچنان شامل تولید و ذخیره‌سازی هیدروژن (به صورت مایع یا تحت فشار)، نیاز به حجم مناسب و عایق‌بندی دقیق می‌باشد. مفهوم «هواپیمایی بدون آلایندگی» همواره از هیدروژن به عنوان یک راهکار بالقوه نام برده است.

موتورهای مافوق‌صوت هواتنفسی (اسکرم‌جت‌ها): استرالیا بیش از دو دهه است که در این زمینه تحقیق می‌کند. پروژه دانشگاهی HyShot در اوایل دهه ۲۰۰۰ توانست احتراق مافوق صوت تحت شرایط پرواز را به تصویر بکشد. اسکرم‌جت‌ها در بسیاری از برنامه‌های دفاع ملی و پرتاب فضایی مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

ترکیب این دو: Hypersonix با ادغام سوخت هیدروژنی و پیشران مافوق صوت اسکرم‌جت در پلتفرم‌های عملیاتی، تلاش می‌کند تا با توجه به سبکی هیدروژن، امکان دستیابی به محدوده سرعت‌های بالاتر از ۸ ماخ تا ۱۰ الی ۱۲ ماخ را فراهم کند، که بسیار فراتر از محدوده ۲ تا ۴ ماخ در اکثر جت‌های مافوق صوت کنونی است.

علم پشت اعداد نجومی (سرعت ۱۲ ماخ)

عدد چشمگیر ۱۲ ماخ (تقریباً ۱۲ برابر سرعت صوت) یک هدف فنی و ابزاری برای ارسال یک پیام جدی است. ۱ ماخ تقریباً معادل ۱,۲۳۵ کیلومتر در ساعت (در سطح دریا) است، بنابراین ۱۲ ماخ تقریباً برابر با ۱۴,۸۲۰ کیلومتر در ساعت خواهد بود. در این سرعت‌ها، هواپیما تقریباً ۲۴۵ کیلومتر را در هر دقیقه طی می‌کند. ایستگاه فضایی بین‌المللی با سرعتی حدود ۲۲ ماخ دور زمین می‌چرخد؛ حال تصور کنید پیمایش فاصله بین قاره‌ها در کمتر از یک ساعت با چنین سرعت‌هایی چقدر تحول‌آفرین است.

در سرعت ۱۲ ماخ، هواپیما وارد «رژیم مافوق صوت» در جو زمین می‌شود. چالش‌های فنی در این رژیم شامل موارد زیر است:

• بارهای حرارتی شدید: مولکول‌های هوا شروع به تجزیه شدن می‌کنند و بارهای حرارتی بر روی بدنه هواپیما بسیار شدید می‌شوند.
• امواج شوک: موج‌های شوک میدان جریان را تحت سلطه قرار می‌دهند و کارکرد موتور را بسیار پیچیده می‌کنند.
• ذخیره‌سازی هیدروژن: ذخیره‌سازی برودتی یا تحت فشار بالا و مدیریت سوخت در سرعت‌های هایپرسونیک پیچیدگی‌های دیگری را به پروژه می‌افزاید.

با این حال، هیدروژن به دلیل انرژی ویژه بالاتر و خروجی پاک‌تر (بخار آب) امکان دستیابی به این اعداد ماخ بالا را فراهم می‌کند.

پیامدهای عملی رسیدن به ماخ ۱۰ تا ۱۲:

• حمل‌ونقل سریع جهانی: پروازهای مسافری یا باری در ظرف چند دقیقه، نه ساعت‌ها.
• مأموریت‌های دفاعی/اطلاعاتی-شناسایی (ISR): امکان نظارت و واکنش سریع‌تر از همیشه.
• دسترسی به فضا: پرواز جوی مافوق صوت به عنوان مرحله اول یا سیستم پرتاب هوایی برای وسایل نقلیه فضایی عمل می‌کند.
• پایداری: کاهش انتشار CO2 برای پروازهای با عملکرد بالا.

وضعیت فعلی و چشم‌انداز رقابتی

وضعیت کنونی Hypersonix: این شرکت اخیراً موفق به جمع‌آوری ۴۶ میلیون دلار آمریکا سرمایه (Series A) شده است تا توسعه هواپیما و موتور هایپرسونیک هیدروژنی خود را تسریع بخشد. این بودجه برای پرتاب DART AE تحت برنامه HyCAT ایالات متحده، ارتقای قابلیت‌های تولید پیشرفته و توسعه فناوری VISR تخصیص یافته است.

رقبای جهانی: Hypersonix تنها شرکت فعال در این حوزه نیست. شرکت فرانسوی-سوئیسی Destinus Aerospace نیز در حال توسعه یک هواپیمای بدون سرنشین هایپرسونیک با سوخت هیدروژنی و یک هواپیمای مسافربری با شرایطی مشابه است. با این حال، رویکرد منحصربه‌فرد Hypersonix، یعنی ترکیب هیدروژن و اسکرم‌جت برای پلتفرم‌های عملیاتی، تمایز اصلی آن است.

چالش‌های پیش رو:

1. اثبات پروازهای پایدار: اهداف اعلام‌شده مانند رسیدن به سرعت ۱۲ ماخ هنوز در پروازهای پایدار جوی اثبات نشده‌اند.
2. ذخیره هیدروژن: ذخیره‌سازی برودتی، عایق‌بندی ویژه و سیستم‌های فشار بالا، وزن و پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد.
3. عملیاتی شدن کامل: انتقال از بسترهای آزمایشی یکبار مصرف به یک جت کاملاً عملیاتی قابل استفاده مجدد، بسیار دشوار خواهد بود.

با این حال، موفقیت Hypersonix در جذب بودجه عمده و همکاری با برنامه DIU/HyCAT ایالات متحده نشان‌دهنده اعتماد صنعت به این پروژه است.

آنچه آینده ممکن است به همراه داشته باشد

پتانسیل پرواز‌های مافوق‌صوت با سوخت هیدروژن فراتر از شکستن رکوردهای سرعت است. اگر Hypersonix موفق شود، پیامدهای آن می‌تواند صنعت حمل‌ونقل جهانی، دفاع و دسترسی به فضا را متحول کند.

اگر Hypersonix موفق شود، پیامدهای این موفقیت فراتر از شکستن رکورد سرعت خواهد بود.

۱. تحول در حمل‌ونقل جهانی

• سفر بین تهران و نیویورک در کمتر از نیم ساعت
• ارسال بارها در زمان‌های فوق کوتاه
• ایجاد نسل جدیدی از خطوط هوایی فوق‌سریع

۲. دفاع و امنیت

• ایجاد پلتفرم‌های ISR با سرعت غیرقابل تصور
• توسعه سیستم‌های هشداردهی سریع
• توانایی دستیابی به هر نقطه جهان در چند دقیقه

۳. صنعت فضا

• استفاده از پرنده‌های مافوق‌صوت به عنوان مرحله اول پرتاب
• کاهش عمده هزینه‌های فضایی
• امکان ارسال محموله‌های سبک بدون بوسترهای کلاسیک

۴. پایداری و محیط‌زیست

• استفاده از هیدروژن سبز به جای سوخت‌های فسیلی
• کاهش کامل انتشار CO₂
• حرکت به سمت آینده‌ای پاک‌تر و هوشمندتر

دکتر مایکل اسمارت، یکی از بنیان‌گذاران Hypersonix، در توصیف SPARTAN می‌گوید:

«این فقط یک موتور نیست؛ بلکه جهشی بزرگ به‌سوی پروازهای هایپرسونیک قابل استفاده مجدد است.»

قابلیت استفاده مجدد که تمرکز اصلی این شرکت است، در صورت عملی شدن، می‌تواند اقتصاد پرواز‌های سریع را به‌طور چشمگیری تغییر دهد و راه را برای تجاری‌سازی باز کند. همان‌طور که یکی از بنیانگذاران توضیح می‌دهد، موتور SPARTAN «فراتر از یک سیستم رانش است؛ این یک پیشرفت بزرگ در پرواز‌های هایپرسونیک قابل استفاده مجدد است.»

جمع‌بندی

جت مافوق‌صوت هیدروژنی Hypersonix فقط یک پیشرفت تکنولوژیک نیست؛ بلکه نماینده عصری جدید در سفرهای هوایی است. عصری که در آن:

• سرعت از محدودیت به آزادی تبدیل می‌شود
• سفرهای بین‌قاره‌ای اندازه یک تماس تلفنی زمان می‌برند
• موتورهای بدون قطعه متحرک جهان هوافضا را دگرگون می‌کنند
• هیدروژن، آلودگی را از صنعت هوانوردی حذف می‌کند

اگر برنامه‌های DART AE و VISR با موفقیت ادامه یابد، ممکن است دوران پروازهای پایدار، فوق سریع و بدون آلایندگی بسیار زودتر از آنچه انتظار داریم فرا برسد. دکتر مایکل اسمارت، یکی از بنیانگذاران شرکت، توضیح می‌دهد که موتور SPARTAN «فراتر از یک سیستم رانش است؛ این یک پیشرفت بزرگ در پروازهای هایپرسونیک قابل استفاده مجدد است.»

تمرکز بر قابلیت استفاده مجدد در صورت عملی شدن، می‌تواند اقتصاد پروازهای سریع را به‌طور چشمگیری تغییر دهد. این موتور نمونه‌ای از تعادل میان سرعت بالا و پایداری زیست‌محیطی است؛ یعنی «پرواز سبز» و سرعت بی‌سابقه می‌توانند همزمان وجود داشته باشند. با پیشرفت برنامه‌های DART AE و VISR، مرز بین علم امروز و آینده‌ی هوانوردی سریع در حال محو شدن است.