محرك التفجير النبضي

محرك التفجير النبضي ( PDE ) هو نوع من أنظمة الدفع التي تستخدم موجات التفجير لحرق خليط من الوقود والمؤكسد . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يعمل المحرك بنظام النبضات لأن خليط الوقود والهواء يحتاج إلى التجديد في غرفة الاحتراق بين كل موجة انفجار والموجة التالية. نظريًا، يمكن لمحرك النبضات التحفيزية (PDE) العمل بسرعات تتراوح من دون سرعة الصوت إلى سرعات تفوق سرعة الصوت بحوالي 5 ماخ . يتميز التصميم المثالي لمحرك النبضات التحفيزية بكفاءة ديناميكية حرارية أعلى من التصاميم الأخرى مثل المحركات النفاثة التوربينية والمراوح التوربينية، لأن موجة الانفجار تضغط الخليط بسرعة وتضيف حرارة عند حجم ثابت. ونتيجة لذلك، لا تكون الأجزاء المتحركة مثل بكرات الضاغط ضرورية في المحرك، مما قد يقلل بشكل كبير من الوزن الإجمالي والتكلفة. تشمل القضايا الرئيسية لمزيد من التطوير: الخلط السريع والفعال للوقود والمؤكسد، ومنع الاشتعال الذاتي ، والتكامل مع مدخل وفوهة.

اعتبارًا من أبريل 2026، لم يتم وضع أي محرك PDE عملي في الإنتاج، ولكن تم بناء العديد من محركات الاختبار وتم دمج أحدها بنجاح في طائرة تجريبية منخفضة السرعة حلقت في رحلة مستدامة تعمل بمحرك PDE في عام 2008.

تم النظر في استخدام المعادلات التفاضلية الجزئية في الدفع منذ عام 1940. ^{[ 3 ]}

أُجريت أول رحلة تجريبية معروفة لطائرة تعمل بمحرك نبضي في مطار موهافي الجوي والفضائي في 31 يناير 2008. ^{[ 4 ]} طُوّر المشروع من قِبل مختبر أبحاث القوات الجوية وشركة Innovative Scientific Solutions. وكانت الطائرة المختارة للرحلة نسخة مُعدّلة بشكل كبير من طائرة Scaled Composites Long-EZ ، أُطلق عليها اسم Borealis . ^{[ 5 ]} يتكون المحرك من أربعة أنابيب تُنتج نبضات انفجارية بتردد 80  هرتز، مما يُولّد قوة دفع تصل إلى 200 رطل (890 نيوتن). درس مطورو المحرك أنواعًا عديدة من الوقود واختبروها في السنوات الأخيرة، ولكن استُخدم وقود ذو رقم أوكتان مُحسّن لهذه الرحلة. استُخدم نظام صاروخي صغير لتسهيل إقلاع طائرة Long-EZ، لكن المحرك النبضي عمل بقوته الذاتية لمدة 10 ثوانٍ على ارتفاع حوالي 100 قدم (30 مترًا). أُجريت الرحلة بسرعة منخفضة، بينما تكمن جاذبية مفهوم محرك الاحتراق الجزئي في السرعات العالية، إلا أن التجربة أثبتت إمكانية دمج هذا المحرك في هيكل الطائرة دون التعرض لمشاكل هيكلية ناتجة عن  موجات الانفجار التي تتراوح قوتها بين 195 و200 ديسيبل. لا توجد رحلات أخرى مُخطط لها للطائرة Long-EZ المُعدّلة، ولكن من المرجح أن يُسهم هذا النجاح في زيادة التمويل المُخصص لأبحاث محركات الاحتراق الجزئي. وقد نُقلت الطائرة إلى المتحف الوطني للقوات الجوية الأمريكية لعرضها. ^{[ 6 ]}

في يونيو 2008، كشفت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) عن مشروع Blackswift ، الذي كان من المفترض أن يستخدم هذه التقنية للوصول إلى سرعات تصل إلى 6 ماخ. ^{[ 7 ]} ومع ذلك، فقد تم الإبلاغ عن إلغاء المشروع بعد ذلك بوقت قصير، في أكتوبر 2008.

تتشابه آلية عمل محرك النبضات الكهربائية مع آلية عمل محرك النبضات النفاثة . ففي محرك النبضات النفاثة، يُخلط الهواء بالوقود لتكوين خليط قابل للاشتعال، ثم يُشعل في غرفة احتراق مفتوحة. ويؤدي الاحتراق الناتج إلى زيادة ضغط الخليط بشكل كبير ليصل إلى حوالي 100 ضغط جوي (10 ميجا باسكال)، ^{[ 8 ]} والذي يتمدد بعد ذلك عبر فوهة لتوليد قوة الدفع.

لضمان خروج الخليط إلى الخلف، وبالتالي دفع الطائرة للأمام، تُستخدم سلسلة من الصمامات لإغلاق مقدمة المحرك. ويضمن الضبط الدقيق للمدخل إغلاق الصمامات في الوقت المناسب لإجبار الهواء على السير في اتجاه واحد فقط عبر المحرك. تستخدم بعض تصميمات المحركات النفاثة النبضية تجويفًا رنينيًا مضبوطًا لتوفير آلية التحكم في تدفق الهواء داخل النظام. عادةً ما تكون هذه التصميمات على شكل أنبوب على شكل حرف U، مفتوح من كلا الطرفين.

في كلا النظامين، يواجه محرك النبض النفاث مشاكل أثناء عملية الاحتراق. فمع احتراق الوقود وتمدده لتوليد قوة الدفع، يدفع أيضًا أي شحنة غير محترقة متبقية إلى الخلف، خارج الفوهة. وفي كثير من الحالات، يُقذف جزء من الشحنة قبل الاحتراق، مما يُسبب ذيل اللهب الشهير الذي يُرى على قنبلة V-1 الطائرة وغيرها من محركات النبض النفاث. وحتى داخل المحرك، يتغير حجم الخليط باستمرار، مما يُقلل من كفاءة تحويل الوقود إلى طاقة قابلة للاستخدام.

تعتمد جميع محركات الطائرات النفاثة التقليدية ومعظم محركات الصواريخ على الاحتراق السريع للوقود ، أي الاحتراق السريع دون سرعة الصوت . أما محرك الاحتراق النبضي فهو مفهوم قيد التطوير حاليًا لإنتاج محرك نفاث يعمل بالاحتراق فوق الصوتي للوقود . ولأن الاحتراق يحدث بسرعة فائقة، لا يتوفر للشحنة (مزيج الوقود والهواء) الوقت الكافي للتمدد خلال هذه العملية، لذا يحدث الاحتراق بحجم ثابت تقريبًا . ويُعد الاحتراق ذو الحجم الثابت أكثر كفاءة من تصميمات الدورة المفتوحة مثل التوربينات الغازية ، مما يؤدي إلى زيادة كفاءة استهلاك الوقود .

نظراً لسرعة عملية الاحتراق، يصعب تصميم مصاريع ميكانيكية تحقق الأداء المطلوب. ولذلك، تستخدم محركات الاحتراق الداخلي عادةً سلسلة من الصمامات لضبط توقيت العملية بدقة.

معظم أبحاث PDE ذات طبيعة عسكرية، حيث يمكن استخدام المحرك لتطوير جيل جديد من طائرات الاستطلاع عالية السرعة وبعيدة المدى التي ستطير على ارتفاع كافٍ لتكون خارج نطاق أي دفاعات مضادة للطائرات حالية، مع توفير مدى أكبر بكثير من طائرة SR-71 ، التي كانت تتطلب أسطول دعم ضخم من طائرات التزود بالوقود.

تتمثل الصعوبات الرئيسية في محركات التفجير النبضي في تحقيق DDT دون الحاجة إلى أنبوب طويل بما يكفي لجعله غير عملي ويفرض مقاومة على الطائرة (إضافة انحناء على شكل حرف U في الأنبوب يطفئ موجة التفجير)؛ وتقليل الضوضاء (التي توصف غالبًا بأنها تشبه صوت المطرقة الهوائية)؛ وتخميد الاهتزاز الشديد الناتج عن تشغيل المحرك.

إذا حملت المركبة كلاً من الوقود والمؤكسد، فإن محرك التفجير النبضي يكون مستقلاً عن الغلاف الجوي ويمكن استخدامه في رحلات الفضاء . في 26 يوليو 2021 (بالتوقيت العالمي المنسق)، أجرت وكالة الفضاء اليابانية (جاكسا) بنجاح اختبارًا لمحرك صاروخي يعمل بالتفجير النبضي في الفضاء على متن صاروخ استكشافي من طراز S-520 . ^{[ 9 ]} استخدمت المرحلة العلوية من الصاروخ محرك تفجير دوار (RDE) كمحرك رئيسي، بينما استُخدم محرك تفجير نبضي على شكل حرف S لإبطاء دوران المرحلة بعد احتراق المحرك الرئيسي. عمل محرك التفجير النبضي ثلاث مرات خلال الرحلة، بإجمالي 14 دورة. ^{[ 10 ]}

• الدفع النبضي النووي
• محرك الانفجار الدوار
• سكرامجت
• غلوهاريف نفاث الضغط
• طائرة أورورا

• شركة الحلول العلمية المبتكرة
• محركات التفجير النبضي
• العلوم الشعبية
• براءة اختراع الدفع النفاث بالتفجير النبضي لعام 1952 من قبل ويليام بولاي
• جهاز يعمل بالطاقة المُستمدة من الليزر، براءة اختراع أمريكية صادرة بتاريخ 6 أغسطس 1996، بويد ب. بوشمان
• خيارات الدفع بالتفجير النبضي
• ملاحظات داربا مايو 2009 حول المعادلات التفاضلية الجزئية
• محرك التفجير النبضي (PDE)
• محرك التفجير النبضي
• محرك جديد للسرعات فوق الصوتية وفوق الصوتية من تطوير منظمة البحث والتطوير الدفاعية (DRDO) | معادلات الدفع الفيزيائية