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:

تاریخچه تکامل هواپیمای مدرن (1)

تالیف: اصغر ناصری

تکامل هواپیمای مدرن (بخش اول: 1903 تا 1918)

اولین پرواز یک هواپیمای موتوردار سنگین تر از هوا به خلبانی اورویل رایت در 17 دسامبر 1903 انجام گرفت. در اولین دهه پس از این رویداد تاریخ ساز، تعداد زیادی انواع مختلف هواپیما ساخته شد که تنها بر اساس خلاقیت مخترعان تکامل یافته بودند. تنها تعداد کمی از این هواپیماها قادر به پروز به مدت طولانی بودند. دانش و مهندسی پرواز هنوز در مراحل ابتدای خود بود و هواپیماها اغلب توسط افراد مبتدی ساخته می شدند.

اولین پرواز هواپیما در سال 1903 توسط برادران رایت، کیتی هاوک، آمریکا

آنگاه جنگ جهانی اول به سال 1914 فرارسید و هواپیما به عنوان یک وسیله جنگی مورد توجه قرار گرفت. تا انتهای جنگ در سال 1918 هواپیما به عنوان یک وسیله انعطاف پذیر و یک ماشین جنگی موثر مورد توجه تمام دولتهای متخاصم بود.

بطور کلی سه پارامتر مختلف مشخص کننده عملکرد یک هواپیما هستند: ضریب پسا در نیروی بالابر صفر (zerolift drag coefficient C_D,0)، مساحت پسا (drag area f) و ماکزیمم نسبت نیروی بالابر به پسا (L/D)_max.

ضریب پسا در نیروی بالابر صفر یک عدد بدون بعد است که میزان آیرودینامیکی بودن یک هواپیما را مشخص می کند. هرچه این عدد کوچکتر باشد هواپیما شکل آیرودینامیکی تمیزتری دارد. برای مثال مقدار این ضریب برای جنگنده P-51 ماستنگ آمریکا در زمان جنگ جهانی دوم برابر 0.0161 در مقایسه با 0.0771 برای جنگنده Fokker E-III جنگ جهانی اول بود. بدین ترتیب ماستنگ شکل آیرودینامیکی بسیار مناسب تری از جنگنده فوکر مزبور داشت.

فوکر E-III

ماستنگ پی 51

مساحت پسای f برابر است با حاصلضرب ضریب C_D,0 و مساحت بال. این عدد نشان دهنده میزان نیروی پسای تولید شده در اثر عبور جریان هوا از اطراف بدنه و بالهای هواپیماست. هرچه این عدد کوچکتر باشد نیروی پسا یا بازدارنده کوچکتری بر هواپیما وارد می گردد. برای مثال مساحت پسا برای P-51 برابر 3.57 فوت مربع در مقایسه با  12.61 فوت مربع Fokker E-III بوده که نشان دهنده ارتقای کارایی آیرودینامیکی هواپیما در یک دوره 25 ساله است. حداکثر سرعتی که هواپیما می تواند به آن دست یابد متناسب با ریشه سوم نسبت توان موتورها به مساحت پسا است.

مقدار نسبت حداکثر نیروی بالابر به پسا (L/D)_max معیاری از کارایی آیرودینامیکی هواپیما در حالت گشت زنی است و تناسب معکوس با نیروی پیشران (thrust) مورد نیاز برای نگه داشتن هواپیمایی با وزن معلوم در هوا دارد. بالهای هواپیما در اثر حرکت در جریان هوا تولید نیروی بالابر می کنند و تولید نیروی بالابر نیز به نوبه خود ایجاد پسا می کند که به پسای تولید شده در اثر نیروی بالابر موسوم است. این نیروی پسا به نسبت فاصله بین دو نوک بال به متوسط عرض مقطع بال بستگی دارد.

تکامل هواپیما در فاصله سالهای 1914 تا 1918

در فاصله سالهای جنگ جهانی اول انواع زیادی هواپیما ساخته شد که بیشتر آنها تنها در عرض چند هفته از مرحله طراحی به پرواز آزمایشی می رسیدند. برخلاف ساخت کارگاهی که قبل از سال 1914 رواج داشت، کم کم یک صنعت هواپیمایی توسعه یافته و دولتهای متخاصم در آن به سرمایه گذاری پرداختند. در فرانسه، آلمان و ایتالیا آزمایشگاههای دولتی برای تحقیق در دانش و فناوری هواپیما ایجاد شد و کمیته ملی مشورتی در هوانوردی (NACA) در 1915 به فرمان کنگره آمریکا تاسیس شد. لیکن برخلاف دولتهای اروپایی، ایالات متحده دارای یک نیروی هوایی متعلق به خود و یک صنعت هواپیماسازی واقعی نبوده و از هواپیماهای خریداری شده یا اجاره شده از کشورهای اروپایی استفاده می کرد.

هواپیماهای تک بال، دوباله و سه باله که بالهای آنها توسط سیم یا میله های تقویتی در جای خود مستحکم می شد فراوان بودند. برا ی اولین بار طراح هلندی آنتونی فوکر بال هواپیما به شیوه تیر یکسر گیردار را طراحی کرد که در داخل خود دارای سازه تقویتی بود و نیازی به نگهداری از بیرون نداشت. بیشتر هواپیماها اسکلت چوبی با لفاف سیمی و پوسته ای از پارچه داشتند. دورمر و یونکرس در آلمان جزو پیشتازان ساخت هواپیمای تمام فلزی بودند. لیکن هنوز آلیاژ سبک مناسب هواپیماهای تمام فلزی در دسترس نبود. بیشتر موتورهای پیستونی هواپیماها از نوع ساکن با میل لنگ دوار بود لیکن انواعی از موتورهای دوار با میل لنگ ثابت و سیلندهای دوران کننده نیز در دسترس بودند.

یکی از مهمترین جنگنده های این دوران سری فوکر آیندکر بود که برتری هوایی زیادی به نیروهای آلمانی می دادند. این جنگنده برای اولین بار از مسلسل همزمان شده استفاده می کرد که در آن با فشردن ماشه توسط خلبان، ملخ هواپیما لحظه ای ثابت می شد تا گلوله ها بتوانند از میان ملخ ها عبور کنند. مشخصات Fokker E-III در زیر آورده شده است (منبع: ویکی پدیا).

General characteristics

• Crew: 1
• Length: 7.2 m (23 ft 7 in)
• Wingspan: 9.52 m (31 ft 3 in)
• Height: 2.4 m (7 ft 10 in)
• Wing area: 16 m² (170 sq ft)
• Empty weight: 399 kg (880 lb)
• Gross weight: 610 kg (1,345 lb)
• Powerplant: 1 × Oberursel U.I 9-cyl. rotary engine, 75 kW (100 hp)

Performance

• Maximum speed: 140 km/h (87 mph; 76 kn)
• Endurance: 1.5 hours
• Service ceiling: 3,600 m (11,810 ft)
• Rate of climb: 3.333 m/s (656.1 ft/min)
• Time to altitude:
  • 1,000 m (3,281 ft) in 5 minutes
  • 3,000 m (9,843 ft) in 30 minutes
  Armament

• Guns: 1 × 7.92 mm (0.312 in) LMG 08/15 machine gun offset to starboard, synchronised to fire through the propeller.

در کنار جنگنده ها که نقش بمب افکن های تاکتیکی سبک را نیز ایفا می کردند، جنگ جهانی اول شاهد استفاده محدود از بمب افکن های استراتژیک بود. بمب افکن های این دوره وزن ناخالصی در حدود 4000 تا 8000 کیلوگرم بودند و برخی بمب افکن های خاص آلمانی به وزن 15000 کیلوگرم می رسیدند. حداکثر سرعت در حدود 140 کیلومتر در ساعت و سقف پرواز نیز به حدود 4000 متر می رسید. معروفترین بمب افکن استراتژیک این دوره Gotha G.IV آلمانی است که در بمباران شهرهای انگلستان در مقیاس محدود از آنها استفاده شد.

هندلی پیج بمب افکن معروف بریتانیا در 1917

(ادامه دارد)