تکامل هواپیمای مدرن (بخش سوم:  تکنولوژی جت)

تالیف: اصغر ناصری

در تالیف این سلسله مقالات از منابع دست اول و معتبر اینترتی همچون سایت:

NASA History Office: Quest for Performance, The Evolution of Modern Aircraft

استفاده شده است. لطفا در صورت نقل قول و استفاده از متن مقاله، با ذکر منبع آن (سایت دنیای علم و تکنولوژی) فرهنگ امانت داری علمی را ترویج دهید.

پیش ران جت

وقتی سرعت نوک ملخ در یک هواپیمای ملخی به عدد ماخ 1 نزدیک می شود، بازده آن بطرز قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. یکی از مزیت های مهم سیستم های پیش ران جت، غلبه بر این مشکل است. ورودی هوا و سیستم های جریان داخلی سیال در موتورهای جت به گونه ای طراحی شده اند که سرعت ورود هوا به اولین مرحله کمپرسور محدود می شود بطوری که اثرات مخرب جریان سیال با سرعت نزدیک به عدد ماخ پیش نمی آید.

مزیت مهم دیگر موتور جت نسبت به موتور پیستونی، این است که نسبت توان تولیدی به وزن در موتورهای جت بسیار بالاتر است و توان عظیمی را می توان در حجم کوچکی از یک موتور جت متراکم کرد. جدول زیر یکی از بهترین هواپیماهای مسافربری ملخی را با هواپیمای جت بوئینگ 747 مقایسه می کند. اعداد بخوبی نشانگر برتری بدون چون و چرای هواپیمای جت هستند. همانطور که دیده می شود موتورهای توربوفن بوئینگ 747 تقریبا 9 برابر موتورهای پیستونی لاکهید که از بهترین موتورهای آن زمان بودند، قدرت تولید می کند. موتورهای جت نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری نیز دارند و از کار افتادن موتور جت پدیده نسبتا نادری محسوب می شود.

موتورهای توربوجت و توربوفن

دو نوع اصلی سیستم پیشرانه جت عبارتند از موتور توربوجت و موتور توربوفن. موتور توربوجت مطابق شکل زیر شامل کمپرسورهای پرفشار و کم فشار، اتاق احتراق و توربین های پرفشار و کم فشار است. در توربوجت، تمامی هوای ورودی از همه بخش های موتور عبور می کند. کمپرسورها فشار هوای ورودی را بالا می برند. هوای پرفشار که بسیار داغ شده است وارد اتاق احتراق شده و سوخت به داخل آن پاشیده می شود. مخوط سوخت و هوا مشتعل شده و گازهای داغ ناشی از اشتعال از درون توربین می گذرند که به نوبه خود کمپرسورها را می چرخاند. گازهای خروجی از نازل موتور تولید نیروی پیش ران می کنند.

موتور نشان داده شده در شکل بالا یک موتور twin-spool خوانده می شود. کمپرسور فشار پایین توسط توربین فشار پیین و کمپرسور فشار بالا نیز توسط توربین فشار بالا گردانده می شود. این دو واحد با سرعتهای مختلفی می گردند تا در تمامی مراحل تراکم راندمان بالایی را حفظ کنند.

موتور توربوفن دارا ی تمامی عناصر یک موتور توربوجت هست (شکل پایین) لیکن قسمتی از انرژی گازهای خروجی توسط توربینی گرفته می شود که یک فن را می گرداند. بخشی ازهوای ورودی به موتور که از فن می گذرد از پیرامون موتور عبور داده می شود. بنابراین فن شبیه ملخی است که توسط توربین گردانده می شود. لیکن برخلاف ملخ، فن می تواند شامل 20 تا 50 تیغه باشد که در این صورت به یک کمپرسور شبیه تر است. موتور توربوفن دارای این مزیت است که به حجم بزرگی از جریان هوا سرعتی اضافه می دهد و در نتیجه با صرف مقادیر کمتری انرژی نیروی پیش ران بزرگتری تولید می کند. بیشتر هواپیماهای مدرن از موتور توربوفن استفاده می کند.

سیستم پس سوز

بیشتر هواپیماهای نظامی در برخی مواقع به یک افزایش بزرگ و کوتاه مدت در نیروی پیش ران در هنگام عملیاتی مانند برخاستن، صعود، شتاب گیری و مانورهای جنگی دارند. موتورهای پس سوز دار پاسخی به این نیاز هستند. در این نوع موتورها سوختی اضافی مستقیما به جریان گازهای خروجی پاشیده شده و در لوله دنباله موتور سوزانده می شود. بدین ترتیب یک افزایش 50 تا 80 درصدی در نیروی پیش ران ایجاد می شود که البته به بهای مصرف بالای سوخت است.

پیکربندی بال برای پرواز سریع

تقریبا تا اواخر جنگ جهانی دوم تمامی هواپیماها دارای بالهای مستقیم بودند. این نوع بال برای پرواز با سرعت کمتر از سرعت صوت و ارتفاعات کم تا متوسط بسیار مناسب است و پایداری پرواز زیادی ایجاد می کند زیرا جریان هوا از دو طرف مقطع بال لایه ای و غیرمغشوش است. اما با نزدیک شدن به سرعت صوت امواج شوک مانند نیروی زیادی به بال هواپیما وارد می کنند که باعث ناپایداری هواپیما می شود. آلمانها در خلال جنگ جهانی دوم دریافته بودند که بالهای به عقب برگشته (Sweptback wings) برای پرواز در سرعت های زیاد مناسب تر هستند. در این نوع بالها نیروی جریان هوا به دو مولفه عمود بر بال و در راستای زاویه بال تجزیه شده و نیروی کلی وارد بر بال در سرعتهای بالا کاهش می یابد. در نتیجه تنها هواپیماهای مجهز به بالهای به عقب برگشته می توانند با سرعتهای بالای سرعت صوت پرواز پایداری را تجربه کنند. در سرعتهای بالا این نوع بال مقاومت کمتری نیز در برابر جریان هوا از خود نشان می دهد در نتیجه نیروی پسا یا drag کاهش می یابد.

 

از کانال موزه علم و دانش بازدید فرمایید: