محرك هايبر

كان المحرك فائق الأداء مشروعًا دراسيًا في ثلاثينيات القرن العشرين أطلقته القوات الجوية للجيش الأمريكي لتطوير محرك طائرات عالي الأداء يضاهي أو يتفوق على الطائرات والمحركات التي كانت قيد التطوير آنذاك في أوروبا. وكان الهدف من المشروع إنتاج محرك قادر على توليد قوة 1  حصان/بوصة ^مكعبة (46  كيلوواط/لتر) بوزن أقل من  رطل واحد لكل حصان مُولّد. وكان الهدف النهائي للتصميم هو زيادة نسبة القدرة إلى الوزن لتناسب الطائرات المدنية والقاذفات بعيدة المدى.

في ذلك الوقت، لم يكن أي محرك إنتاجي قادرًا على تلبية المتطلبات، على الرغم من أن هذا الإنجاز قد تحقق بفضل محركات سباق معدلة خصيصًا أو مصممة لأغراض محددة، مثل محركي نابيير ليون ورولز رويس آر . كان محرك برات آند ويتني آر-1830 توين واسب الشعاعي، وهو محرك كبير نموذجي في تلك الحقبة، يُنتج حوالي 1200  حصان (895  كيلوواط) من سعة ³⁰  لترًا (1830 بوصة مكعبة)، لذا كان من الضروري تحقيق تقدم بنسبة 50% على الأقل. لم يكن مجرد تكبير تصميم موجود كافيًا لحل المشكلة. فبينما كان سيزيد من إجمالي الطاقة المتاحة، إلا أنه كان سيزيد أيضًا من الوزن، وبالتالي لن يكون له أي تأثير يُذكر على نسبة القوة إلى الوزن. لتحقيق الأهداف، كانت هناك حاجة إلى تغييرات جذرية. ^{[ 1 ]} 

تم بناء العديد من المحركات كجزء من برنامج المحركات فائقة السرعة، ولكن لأسباب مختلفة لم يُستخدم أي منها في الإنتاج التجاري. وبحلول أوائل الأربعينيات، كانت المحركات المبردة بالهواء من شركات أمريكية مختلفة تُقدم قدرات مماثلة، كما أن إنتاج محرك رولز رويس ميرلين المرخص تحت اسم باكارد V-1650 وفر أداءً يُضاهي أداء المحركات فائقة السرعة من محرك خطي، في حين حقق محرك أليسون V-1710 نفس الأداء من تصميم أمريكي، تم إنتاجه كجهد خاص خارج برنامج المحركات فائقة السرعة.

أدت التحسينات في البناء واستخدام مواد أخف وزنًا إلى بعض الفوائد في سبيل رفع نسبة القدرة إلى الوزن . فقد استُبدل الفولاذ بالألومنيوم مع تحسن جودة وقوة سبائك الألومنيوم خلال ثلاثينيات القرن العشرين؛ مما أدى إلى انخفاض ملحوظ في وزن المحرك، لكن ليس بالقدر الكافي لتحقيق تحسين إجمالي بنسبة 50%. ولتحقيق هذا الهدف، كان لا بد من زيادة قدرة المحرك. فالقدرة هي مزيج من الطاقة ومعدل توصيلها، لذا لتحسين نسبة القدرة إلى الوزن، يلزم زيادة ضغط تشغيل المحرك، أو سرعة التشغيل، أو كليهما. ويمكن تحقيق مكاسب إضافية من خلال التخلص من الفاقد مثل الاحتكاك، وعدم كفاءة الاحتراق، وفقدان الغازات ، مما يؤدي إلى توصيل المزيد من القدرة النظرية إلى المروحة . ^{[ 2 ]}

قرر مهندسو سلاح الجو الأمريكي دراسة التحسينات الثلاثة جميعها. وسرعان ما خلصوا إلى أن زيادة درجة حرارة الاحتراق وكفاءة التخلص من الغازات العادمة تُعدّ من بين الحلول الأكثر فعالية. ولتحقيق هذا الهدف، بدت زيادة سرعة المحرك الحل الأمثل. إلا أن هناك عددًا من المشكلات العملية التي أعاقت التقدم في هذه المجالات.

زيادة نسبة الانضغاط تغيير بسيط يُحسّن متوسط ​​الضغط الفعال ، ولكنه يؤدي إلى طرق المحرك نتيجة الاحتراق غير المنتظم. وإذا لم يُتحكم في هذه الظاهرة، فقد تُلحق الضرر بالمحرك، وكانت عائقًا رئيسيًا أمام تحسين أداء المحرك. كما أن هذا التغيير يزيد من درجات حرارة التشغيل، مما يُسبب مشكلة للصمامات، التي كانت أصلاً تصل إلى درجات حرارة تُؤدي إلى اشتعال الوقود قبل الأوان أثناء مروره بها.

زيادة سرعة التشغيل، نظريًا، تُعدّ تغييرًا بسيطًا في تصميم المحرك. مع ذلك، عند سرعات التشغيل العالية، لا تُغلق الصمامات تمامًا قبل أن يفتحها عمود الكامات مجددًا، وهي مشكلة تُعرف باسم " ارتداد الصمامات ". يسمح ارتداد الصمامات بتسرب الغازات من الأسطوانة عبر الصمام المفتوح جزئيًا، مما يُقلل من كفاءة المحرك. وقد أدّى رفع ضغط زنبرك الصمامات لإغلاقها بسرعة إلى تآكل سريع لعمود الكامات وزيادة الاحتكاك، مما قلّل الأداء العام بأكثر من أي زيادة في القدرة الحصانية. ^{[ 3 ]}

نظرًا لأن الصمامات كانت عنصرًا أساسيًا في كلا النهجين لتحسين الأداء، فقد شكّلت مجالًا رئيسيًا للبحث في عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي. في المملكة المتحدة، كتب هاري ريكاردو ورقة بحثية مؤثرة حول نظام الصمامات الأسطوانية لهذه الأسباب تحديدًا، مؤكدًا أنه السبيل الوحيد للمضي قدمًا. وقد حقق بعض النجاح في تسويق هذه الفكرة، لا سيما لشركة بريستول لمحركات الطائرات، حيث اقتنع روي فيدن بها. أما منافس ريكاردو، فرانك هالفورد ، فقد صمم محركه الخاص بالصمامات الأسطوانية بالتعاون مع شركة نابيير وأبنائه ، وهي شركة بريطانية بارزة أخرى في صناعة المحركات. ^{[ 4 ]}

لم يكن سلاح الجو الأمريكي مقتنعًا تمامًا بأن صمام الكم هو الحل الوحيد. ومن المفارقات أن إحدى أوراق ريكاردو البحثية حول تصميم صمام الكم هي التي أدت إلى جهود سلاح الجو الأمريكي لتطوير محركات فائقة الأداء. ففي ورقة بحثية نُشرت في أواخر عشرينيات القرن الماضي، ادعى ريكاردو أن تحقيق هدف 1  حصان لكل ^{بوصة مكعبة} أمر مستحيل باستخدام محركات صمام البوبيت. قرر الفريق الهندسي لسلاح الجو الأمريكي في قاعدة رايت الجوية اختبار هذا الادعاء من خلال تجاوزه. فاقترحوا محركًا بسعة 1200 بوصة ^مكعبة  ( 20 لترًا)، آملين أن يؤدي صغر حجم المحرك إلى تقليل مقاومة الهواء وبالتالي تحسين مداه . 

كونتيننتال O/V/IV/XIV-1430

يبدو أن الجيش أبدى قلقه بشأن تطوير شاحن توربيني مناسب للاستخدام على ارتفاعات عالية، ولذا طلب في عام 1934، في إطار تطويره، أسطوانة أحدث ذات أداء أقل قليلاً وحجم أكبر يبلغ 118.8 بوصة  مكعبة ^، مقارنةً بقطرها البالغ 5.5 بوصة (140 مم) وشوطها البالغ 5.0 بوصة (130 مم) . استُخدمت هذه الأسطوانة في محرك ذي 12 أسطوانة بسعة 1425 ^بوصة مكعبة ، ليُنتج نفس القدرة البالغة 1000 حصان، بمعدل أداء 0.7 حصان/بوصة ^مكعبة . وبهذا، أصبح أداؤه مماثلاً لأداء المحركات التجريبية الأحدث من أوروبا، مثل محرك رولز رويس PV-12 ، على الأقل عند تشغيله بوقود ذي رقم أوكتان أعلى كان الجيش يخطط لاستخدامه. ^{[ 7 ]}       

طرأ تغيير آخر على تصميم المحرك. فقد طلب الجيش، اقتناعًا منه بأن تصاميم الطائرات المستقبلية ستستخدم محركات مدفونة في الأجنحة لتحقيق انسيابية إضافية، من شركة كونتيننتال تصميم محرك كامل الحجم مسطح ذي أسطوانات متقابلة أفقيًا ليتم تركيبه داخل الجناح. وكان المحرك الناتج هو كونتيننتال O-1430، والذي تطلب فترة تطوير استمرت عشر سنوات، تم خلالها تغيير التصميم أولًا إلى محرك V-12 رأسي ، ثم لاحقًا إلى محرك V-12 مقلوب، قبل أن يصبح موثوقًا بما يكفي للنظر في إنتاجه بالكامل باسم كونتيننتال IV-1430 في عام 1943. وبحلول ذلك الوقت، كانت محركات أخرى قد تجاوزت بالفعل تصنيفه البالغ 1600  حصان (1200  كيلوواط)، وعلى الرغم من أن محرك IV-1430 كان يتمتع بنسبة قوة إلى وزن أفضل، إلا أنه لم يكن هناك ما يشير إلى أن بدء الإنتاج في منتصف الحرب كان مجديًا. ^{[ 7 ]}

تم توجيه المشروع في النهاية من خلال المتطلبات الواردة في "طلب البيانات R40-C"، والذي تم تضمينه كجزء من برنامج شراء الطائرات للسنة المالية 1940.

مع اقتراب نهاية عام 1938، باتت الحرب في أوروبا وشيكة. في ذلك الوقت، تفوقت الطائرات الأوروبية بشكل كبير على التصاميم الأمريكية. ^{[ 8 ]} بالكاد استطاعت مقاتلتا سلاح الجو الأمريكي الرائدتان، سيفيرسكي بي-35 وكورتيس بي-36 إيه ، بلوغ سرعة 480 كم /ساعة . وبالمقارنة مع طائرة مسرشميت بي إف 109 التي تبلغ سرعتها 550 كم /ساعة، كانتا ستتفوقان عليها بشكل كبير. وكانت إحدى حلول أمريكا لهذه المشكلة، وهي طائرة لوكهيد إكس بي-38 ذات المحركين ، تدخل برنامج اختبار موسع.    

على الرغم من قدرة طائرة XP-38 على الطيران بسرعات تتجاوز 665 كم/ ساعة (413 ميلاً في الساعة) ، إلا أن محركيها التوأم وهيكلها الكبير نسبيًا جعلاها ضخمة وثقيلة. وهذا بدوره جعلها أقل قدرة على المناورة من معظم الطائرات المقاتلة ذات المحرك الواحد. ^{[ 9 ]} كما زُوّدت XP-38 بمحرك جديد مُبرّد بالسوائل، وهو محرك أليسون V-1710 . وقد سمح تصميم أسطوانات أليسون على شكل حرف V بتصميم انسيابي ضيق يقلل من مقاومة الهواء مقارنةً بالطائرات المقاتلة ذات المحركات الشعاعية المُبرّدة بالهواء التي كانت سائدة في أمريكا آنذاك. ^{[ 10 ]}  

تضمن برنامج شراء الطائرات المقاتلة للسنة المالية 1940 وثيقةً وافق عليها مساعد وزير الحرب لويس ك. جونسون في 9 يونيو 1939. عُرفت تلك الوثيقة باسم "طلب البيانات R40-C"، وعلى عكس طلبات شراء الطائرات السابقة، فقد أُرسلت إلى عدد محدود من مصنعي الطائرات. وكان من المقرر إرسال الوثيقة الأصلية إلى: ^{[ 11 ]}

• شركة بيل للطائرات
• شركة الطائرات الموحدة
• شركة كورتيس رايت - قسم طائرات كورتيس
• شركة كورتيس رايت، قسم الطائرات في سانت لويس
• شركة غرومان لهندسة الطائرات
• شركة لوكهيد للطائرات
• شركة ريبابليك للطيران
• قسم الطائرات في شركة فوغت-سيكورسكي، شركة الطائرات المتحدة
• قسم فولتي للطائرات، شركة تصنيع الطيران

بعد المراجعة النهائية والموافقة عليها كمواصفات نوعية لسلاح الجو XC-622، تمت إضافة أربعة مصنعين آخرين إلى التوزيع:

• شركة هيوز للطائرات
• شركة ماكدونيل للطائرات
• شركة بوينغ للطائرات
• شركة نورثروب للطائرات

لم يكن أمام هذه الشركات سوى عشرة أيام للموافقة على شروط الوثيقة، وثلاثين يوماً فقط لتقديم تصميماتها.

في النهاية، تم إلغاء جميع هذه البرامج، وأصبحت المحركات المتبقية قطعًا أثرية في المتاحف.

ومن المفارقات أن المحركات التي لم يتم النظر فيها في إطار البرنامج؛ وهي Allison V-1710 و Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp و Wright R-3350 Duplex-Cyclone و Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major ، تجاوزت جميعها متطلبات USAAC، ولا تزال تحلق حتى القرن الحادي والعشرين، وتطير في المقام الأول بطائرات الحرب القديمة التي تم ترميمها.

• Bomber B ، وهو برنامج القاذفات المتوسطة المتقدمة التابع لسلاح الجو الألماني) والذي استخدم محركات طيران مماثلة عالية القدرة تزيد عن 2000 حصان (1500 كيلوواط) لكل منها.