نبضي

في عام 1934، اقترح جورج هانز ماديلونغ وبول شميدت، المقيم في ميونيخ، على وزارة الطيران الألمانية "قنبلة طائرة" تعمل بمحرك نبضي نفاث من تصميم شميدت. رفضت وزارة الطيران الألمانية النموذج الأولي للقنبلة لعدم اهتمامها به من الناحية التكتيكية، ولتقييمها له على أنه غير مجدٍ تقنيًا. كان تصميم شميدت الأصلي يضع المحرك النبضي النفاث في جسم الطائرة، على غرار الطائرات المقاتلة النفاثة الحديثة، على عكس صاروخ V-1 الذي وُضع محركه فوق الرأس الحربي وجسم الطائرة. ^{[ 11 ]}

بدأت شركة أرجوس العمل بناءً على عمل شميدت. ومن بين الشركات المصنعة الألمانية الأخرى التي عملت على محركات نبضية وقنابل طائرة مماثلة شركة أسكانيا ، وروبرت لوسر من شركة فيزلر ، والدكتور فريتز جوسلاو من شركة أرجوس، وشركة سيمنز ، والتي اجتمعت جميعها للعمل على صاروخ V-1. ^{[ 9 ]}

بعد انضمام شميدت إلى شركة أرجوس، تم تطوير محرك النبض النفاث وأصبح يُعرف رسميًا باسمه في وزارة الطيران الألمانية (RLM) باسم أرجوس آس 109-014. أُجريت أول عملية إسقاط غير مدفوعة في بينيمونده في 28 أكتوبر 1942، وأول رحلة مدفوعة في 10 ديسمبر 1942، وأول إطلاق مدفوع في 24 ديسمبر 1942. ^{[ 12 ]}

تم تقييم المحرك النبضي النفاث باعتباره توازناً ممتازاً بين التكلفة والوظيفة: تصميم بسيط ذو أداء عالٍ بأقل تكلفة. ^{[ 9 ]} كان يعمل على أي نوع من أنواع البترول، ولم يكن نظام غلق الإشعال مصمماً ليدوم أكثر من عمر الطيران التشغيلي العادي لصاروخ V-1، وهو ساعة واحدة. على الرغم من أنه لم يولد قوة دفع كافية للإقلاع، إلا أن المحرك النفاث الرنيني لصاروخ V-1 كان يعمل أثناء ثباته على منصة الإطلاق. اعتمد التصميم الرنيني البسيط على نسبة (8.7:1) بين قطر أنبوب العادم وطوله، مما ساهم في استمرار دورة الاحتراق، وحقق تردد رنين مستقر عند 43 دورة في الثانية . أنتج المحرك قوة دفع ثابتة قدرها 2200 نيوتن (490 رطل _قوة ) وحوالي 3300 نيوتن (740 رطل _قوة ) أثناء الطيران. ^{[ 9 ]}    

كان الإشعال في محرك As 014 يتم بواسطة شمعة إشعال واحدة، مثبتة على بعد 75 سم تقريبًا خلف مجموعة الصمامات الأمامية. وكانت الشرارة تعمل فقط لبدء تشغيل المحرك؛ فمحرك Argus As 014، كغيره من المحركات النفاثة النبضية، لم يكن بحاجة إلى ملفات إشعال أو مغناطيسات للإشعال ، إذ كان مصدر الإشعال هو ذيل كرة اللهب السابقة أثناء التشغيل. ولم يوفر غلاف المحرك حرارة كافية لإحداث اشتعال للوقود كما في محركات الديزل ، نظرًا لانخفاض الضغط داخل المحرك النفاث النبضي.   

كانت مجموعة صمامات Argus As 014 تعتمد على نظام مصراع يعمل بمعدل 47 دورة في الثانية. ^{[ 12 ]}

تم توصيل ثلاث فوهات هواء في مقدمة طائرة Argus As 014 بمصدر ضغط عالٍ خارجي لتشغيل المحرك. وكان وقود الإشعال هو الأسيتيلين ، حيث اضطر الفنيون إلى وضع حاجز من الخشب أو الكرتون في أنبوب العادم لمنع انتشار الأسيتيلين قبل اكتمال الاشتعال. وبمجرد اشتعال المحرك ووصوله إلى الحد الأدنى لدرجة حرارة التشغيل ، تم فصل الخراطيم والوصلات الخارجية.

كان صاروخ V-1، كونه صاروخ كروز، يفتقر إلى عجلات الهبوط، وبدلاً من ذلك، كان يُطلق صاروخ Argus As 014 على منحدر مائل يعمل بواسطة منجنيق بخاري يعمل بمكبس . وكانت الطاقة البخارية اللازمة لتشغيل المكبس تُولّد من خلال التفاعل الكيميائي الطارد للحرارة العنيف الناتج عن دمج بيروكسيد الهيدروجين وبرمنجنات البوتاسيوم (المعروفين باسم T-Stoff و Z-Stoff ).

كان الاستخدام العسكري الرئيسي لمحرك النبض النفاث، مع الإنتاج الكمي لوحدة Argus As 014 (أول محرك نبض نفاث يُنتج بكميات كبيرة)، في قاذفة القنابل الطائرة V-1 . وقد أكسبه صوته المميز لقب "القنبلة الطنانة" أو "الخنفساء الطائرة". كانت V-1 صاروخ كروز ألمانيًا استُخدم في الحرب العالمية الثانية ، واشتهرت بشكل خاص في قصف لندن عام 1944. ونظرًا لرخص محركات النبض النفاث وسهولة تصنيعها، فقد كانت الخيار الأمثل لمصممي V-1، في ظل نقص المواد الألمانية والضغط الهائل على الصناعة في تلك المرحلة من الحرب. لا يختار مصممو صواريخ كروز الحديثة محركات النبض النفاث للدفع، مفضلين المحركات النفاثة التوربينية أو محركات الصواريخ . أما الاستخدامات الأخرى الوحيدة لمحرك النبض النفاث التي وصلت إلى مرحلة الإنتاج الفعلي في ألمانيا النازية فكانت في طائرة Messerschmitt Me 328 ومشروع تجريبي لقاذفة الأفراد (Einpersonenfluggerät) لصالح الجيش الألماني ( Heer) .

قام الفنيون في قاعدة رايت فيلد بإعادة هندسة صاروخ V-1 من بقايا صاروخ لم ينفجر في بريطانيا. وكانت النتيجة ابتكار طائرة JB-2 Loon ، حيث قامت شركة Republic Aviation ببناء هيكلها ، بينما قامت شركة Ford Motor Company بتصنيع محرك Argus As 014 النفاث النبضي المُعاد تصنيعه، والمعروف باسمه الأمريكي PJ31 .

أعرب الجنرال هاب أرنولد من القوات الجوية للجيش الأمريكي عن قلقه من إمكانية بناء هذا السلاح من الفولاذ والخشب، في غضون 2000 ساعة عمل وبتكلفة تقريبية تبلغ 600 دولار أمريكي (ما يعادل 11163 دولارًا في عام 2025) . ^{[ 9 ]}

في عام 2024، قامت شركة Wave Engine Corporation، المنبثقة عن جامعة ميريلاند، بتسليم أربعة من محركاتها J-1 إلى أحد العملاء. J-1 هو محرك نفاث نبضي يتم التحكم فيه رقميًا، ويُستخدم في المركبات الجوية غير المأهولة (UAVs). ^{[ 13 ]}

J-1 عبارة عن جهاز على شكل حرف U مصمم للطائرات بدون طيار التي يصل وزنها الإجمالي إلى 90 كجم. يزن الجهاز 8.2 كجم، وأبعاده 14 × 32 × 163 سم. يعمل الجهاز بوقود مثل البنزين، أو الإيثانول الحيوي E85، أو وقود الطائرات. تصل قوة دفعه إلى 240 نيوتن . عند اشتعال الوقود، تدفع الحرارة والضغط المرتفعان الغازات الساخنة خارج الجهاز، مما يُولد قوة الدفع. ويؤدي الفراغ الجزئي الناتج إلى سحب الهواء النقي، استعدادًا للنبضة التالية. ^{[ 13 ]} وقد تم اختبار هذه المجموعة من المحركات بسرعة تصل إلى 320 كم /ساعة . ^{[ 13 ]}    

تعمل شركة Wave على تطوير محرك ثانٍ، هو K-1، بقوة دفع تصل إلى 980 نيوتن (220 رطلاً ) لحمل حمولة تصل إلى 450 كيلوغراماً (1000 رطل) . وتزعم الشركة أن هذا المحرك سيفيد التطبيقات التجارية الأكبر حجماً وفئة جديدة من الطائرات ذات الإقلاع والهبوط العمودي .    

تستخدم محركات النبضات النفاثة المزودة بصمام صمامًا ميكانيكيًا للتحكم في تدفق غازات العادم المتمددة، مما يجبر الغاز الساخن على الخروج من الجزء الخلفي للمحرك عبر أنبوب العادم فقط، ويسمح بدخول الهواء النقي والمزيد من الوقود عبر مدخل الهواء، حيث يخلق قصور غازات العادم المتسربة فراغًا جزئيًا لجزء من الثانية بعد كل انفجار. وهذا بدوره يسحب المزيد من الهواء والوقود بين النبضات.

يتألف محرك النبض النفاث المزود بصمام من مدخل هواء مزود بصمام أحادي الاتجاه. تمنع هذه الصمامات الغاز المتفجر الناتج عن احتراق خليط الوقود في غرفة الاحتراق من الخروج وتعطيل تدفق هواء المدخل. مع ذلك، وكما هو الحال في جميع محركات النبض النفاث المزودة بصمامات، يحدث ارتداد جزئي للهواء أثناء التشغيل الثابت أو عند السرعات المنخفضة، نظرًا لعدم قدرة الصمامات على الإغلاق بالسرعة الكافية لمنع خروج بعض الغازات عبر المدخل. تخرج غازات العادم فائقة التسخين عبر أنبوب عادم ذي رنين صوتي .

صمام السحب عادةً ما يكون صمامًا ريشيًا . وأكثر تصميمين شيوعًا هما صمام ديزي وشبكة الصمامات المستطيلة. يتكون صمام ديزي من صفيحة رقيقة من مادة ما تعمل كريشة، مقطوعة على شكل زهرة ديزي مزخرفة ذات "بتلات" تتسع عند أطرافها. تغطي كل "بتلة" فتحة سحب دائرية عند طرفها. يُثبّت صمام ديزي على مشعب السحب من خلال مركزه. ورغم سهولة تصنيعه على نطاق صغير، إلا أنه أقل فعالية من شبكة الصمامات.

يعتمد تردد الدورة بشكل أساسي على طول المحرك. ففي المحركات الصغيرة، قد يصل التردد إلى حوالي 250 نبضة في الثانية، بينما في المحركات الأكبر حجماً، مثل تلك المستخدمة في القنبلة الطائرة الألمانية V-1 ، كان التردد أقرب إلى 45 نبضة في الثانية. وقد أدى الصوت منخفض التردد الناتج إلى تسمية هذه الصواريخ بـ"القنابل الطنانة".

لا تحتوي محركات النبض النفاث عديمة الصمامات على أجزاء متحركة، وتعتمد فقط على تصميمها الهندسي للتحكم في تدفق العادم الخارج منها. تُخرج هذه المحركات العادم من كلٍّ من مدخل الهواء ومخرج العادم، إلا أن معظم القوة الناتجة تخرج عبر المقطع العرضي الأوسع لمخرج العادم. تتمتع الكتلة الأكبر الخارجة من مخرج العادم الأوسع بقصور ذاتي أكبر من التدفق العكسي الخارج من مدخل الهواء، مما يسمح بتكوين فراغ جزئي لجزء من الثانية بعد كل انفجار، فيعكس تدفق الهواء الداخل إلى اتجاهه الصحيح، وبالتالي يسحب كمية أكبر من الهواء والوقود. يحدث هذا عشرات المرات في الثانية.

يعمل محرك النبض النفاث عديم الصمامات بنفس مبدأ محرك النبض النفاث ذي الصمامات، ولكن "الصمام" هنا هو هندسة المحرك. يُخلط الوقود، سواءً كان غازًا أو رذاذًا سائلًا ، مع الهواء في مدخل الهواء أو يُحقن مباشرةً في غرفة الاحتراق . يتطلب تشغيل المحرك عادةً هواءً مضغوطًا ومصدر إشعال، مثل شمعة احتراق، لخلط الوقود والهواء. مع تصميمات المحركات الحديثة، يُمكن جعل أي تصميم تقريبًا ذاتي التشغيل بتزويد المحرك بالوقود وشرارة الإشعال، مما يُشغل المحرك دون الحاجة إلى هواء مضغوط. بمجرد تشغيله، لا يحتاج المحرك إلا إلى الوقود للحفاظ على دورة احتراق مستدامة.

تتألف دورة الاحتراق من خمس أو ست مراحل حسب المحرك: الحث، والضغط، وحقن الوقود (اختياري)، والإشعال، والاحتراق، والعادم.

بدءاً من الاشتعال داخل غرفة الاحتراق، يتم رفع ضغط عالٍ عن طريق احتراق خليط الوقود والهواء.

يُسبب رد الفعل الناتج عن القصور الذاتي لتدفق الغاز قوة دفع في المحرك، تُستخدم لتحريك هيكل الطائرة أو شفرة الدوار. ويؤدي قصور غاز العادم المتحرك إلى انخفاض الضغط في غرفة الاحتراق. هذا الضغط أقل من ضغط المدخل (قبل صمام أحادي الاتجاه)، وبالتالي تبدأ مرحلة الحث في دورة الاحتراق.

في أبسط محركات النبض النفاث، يتم سحب الوقود عبر أنبوب فنتوري ، مما يؤدي إلى سحبه من مصدر الوقود. أما في المحركات الأكثر تعقيدًا، فقد يُحقن الوقود مباشرةً في غرفة الاحتراق. عند بدء مرحلة الحث، يُحقن الوقود على شكل ذرات في غرفة الاحتراق لملء الفراغ الناتج عن احتراق كرة اللهب السابقة؛ إذ يحاول الوقود الذائب ملء الأنبوب بالكامل، بما في ذلك أنبوب العادم. يؤدي هذا إلى اشتعال الوقود الذائب في الجزء الخلفي من غرفة الاحتراق عند ملامسته للغازات الساخنة لعمود الغاز السابق، فتُغلق صمامات القصبة بقوة، أو في حالة التصميمات عديمة الصمامات، يتوقف تدفق الوقود حتى يتكون فراغ وتتكرر الدورة.

تأتي المحركات النفاثة النبضية عديمة الصمامات بأشكال وأحجام متنوعة، حيث تناسب التصاميم المختلفة وظائف مختلفة. يتكون المحرك النموذجي عديم الصمامات من أنبوب سحب واحد أو أكثر، وقسم غرفة احتراق، وقسم عادم واحد أو أكثر.

يستقبل أنبوب السحب الهواء ويخلطه بالوقود للاحتراق، كما يتحكم في طرد غاز العادم، تمامًا كالصمام، فيحد من تدفقه دون إيقافه تمامًا. أثناء احتراق خليط الوقود والهواء، يُدفع معظم الغاز المتمدد خارج أنبوب عادم المحرك. ولأن أنبوب (أو أنابيب) السحب يطرد الغاز أيضًا خلال دورة عادم المحرك، فإن معظم المحركات عديمة الصمامات يكون فيها مدخل الهواء متجهًا للخلف، بحيث تُضاف قوة الدفع الناتجة إلى قوة الدفع الكلية، بدلًا من تقليلها.

يُنتج الاحتراق جبهتين من موجات الضغط، إحداهما تنتقل عبر أنبوب العادم الأطول والأخرى عبر أنبوب السحب الأقصر. ومن خلال ضبط النظام بشكل صحيح (عن طريق تصميم أبعاد المحرك بدقة)، يُمكن تحقيق عملية احتراق رنانة.

يتفوق المحرك عديم الصمامات المصمم بشكل صحيح في الطيران، إذ لا يحتوي على صمامات، ولا يتسبب ضغط الهواء الناتج عن السرعة العالية في توقفه عن العمل كما هو الحال في المحركات ذات الصمامات. ويمكنه الوصول إلى سرعات قصوى أعلى، حيث تستطيع بعض التصاميم المتقدمة العمل بسرعة 0.7 ماخ أو ربما أعلى.

تتميز النفاثات النبضية الصوتية ببساطتها. فبما أنها لا تحتوي على أجزاء متحركة قابلة للتلف، فإن صيانتها أسهل وتصنيعها أبسط.

يتكون المحرك النفاث النبضي الدوار من دولاب موازنة مزود بمجموعة من النفاثات النبضية المتصلة بالدوار. تُغلق صمامات الوقود وتُفتح وتُشعل مع كل دورة تُدير العمود. ^{[ 15 ]}