موتورهای جت چگونه کار می کنند؟

موتور جت یک موتور واکنشی است که سیال را بر اساس قانون سوم نیوتن با سرعت بالا به حرکت در می آورد. این تعریف کلی از موتورهای جت دربرگیرنده توربو جت ها، توربو فن ها و راکت هاست. به طور عمومی بیشتر موتورهای جت از نوع موتورهای احتراق درونی (internal combustion) هستند ولی انواع غیر درونی وجود دارد. در استفاده های عمومی لفظ "موتور جت" به یک توربین گازی که از داخل احتراق پیدا می کند اتلاق می شود، موتوری که با یک متراکم کننده گردشی که از یک توربین نیرو می گیرد کار می کند. این موتورها اولین ساختاری بودند که در موتورهای جت به کار رفتند.

موتورهای جت بر عكس موتورهای پیستونی كه در آنها نیروی محركه از طریق یك پیستون كه در یك سیلندر بالا و پایین می شود،تأمین می شود، با چرخش مداوم یك توربین و كمپرسور نیروی محركه را تأمین می كنند. در نتیجه بازده بالاتر و صدای كمتری نسبت به موتورهای پیستونی تولید می كنند. موتورهای جت از سه قسمت اصلی تشكیل شده اند كه عبارتند از كمپرسور،‌ محفظه ی احتراق و توربین .توربین در قسمت انتهایی موتور قرار دارد و نیروی محركه كمپرسور را تأمین و از طریق یك یا چند میله(Shaft) به كمپرسور می رساند.

تاریخچه

موتور جت هواپیما كه هواى داغ پرفشارى را تولید مى كرد توسط فرانك ویتل خلبان و مهندس هواپیماى انگلیسى اختراع شد و از این رو وى را پدر موتور جت مى نامند.

ویتل در سال 1907در شهر «كاونترى» به دنیا آمد. پدرش مكانیك بود. در سن 26 سالگى به عنوان خدمه پرواز در كران ول به نیروى هوایى سلطنتى انگلستان پیوست و در سال 1926با قبولى در معاینات پزشكى _ خلبانى به دانشكده نیروى هوایى سلطنتى راه یافت. او به عنوان یك خلبان بى پروا شهرتى بسزا به دست آورد و در سال 1928 تز فوق لیسانسش با عنوان «پیشرفت هاى آتى در طراحى هواپیما» كه در آن راجع به امكان نفوذ راكت به هواپیما بحث شده بود را به رشته تحریر درآورد.

ویتل پس از فارغ التحصیلى از دانشكده نیروى هوایى سلطنتى، به اسكادران جنگى ملحق شد و در اوقات فراغتش به مطالعه درباره اصول طراحى موتور توربوجت مدرن مى پرداخت. یكى از اساتید پرواز كه تحت تاثیر ایده او در زمینه هواپیماهاى ملخ دار قرار گرفته  بود، او را به نیروى هوایى و یك كارخانه خصوصى مهندسى توربین معرفى كرد. پس از مدتى همه به این نتیجه رسیدند كه عقاید و نظریات ویتل غیرعملى است. او در سال 1930ایده موتور جت را به صورت انحصارى به ثبت رساند و در سال 1936 با تاسیس كارخانه خصوصى «پاور جت» به ساخت و آزمایش اختراعش پرداخت.

در سال 1937 اولین موتور جت خود را بر روى زمین آزمایش كرد. تا آن زمان او همچنان از سرمایه و حمایت اندكى برخوردار بود. در 27 آگوست ،1939 «هانیكل اچ اى 178» كه توسط «هانس یوخیم پابست فون اوهاین» آلمانى طراحى شده بود اولین پرواز موتور جت در تاریخ را به انجام رساند. مدل موتور جت آلمانى به صورت مستقل از تلاش هاى ویتل تكمیل شده بود.

یك هفته پس از پرواز «اچ اى 178»، جنگ جهانى دوم در اروپا آغاز شد. پروژه ویتل، فضایى دوباره براى تحقیق و آزمایش یافت. نیروى هوایى سفارش ساخت موتور جت جدیدى را به شركت «پاور جت» داد و از شركت هواپیمایى گلاستر خواستار تولید هواپیمایى آزمایشى با مشخصات یكسان به نام E28/39 شد.

در 15 مه ،1941 هواپیماى جت گلاستر ویتل E28/39 با موتور جت تكمیل شده توسط شركت توربین انگلستان كه تا آن روز به عقاید ویتل بى توجه بود، به پرواز درآمد.

هواپیماى ویتل در پروازهاى آزمایشى اولیه به خلبانى «گرى سایر» به سرعت 370مایل در ساعت در ارتفاع 25 هزار پایى رسید كه سریع تر از هر هواپیماى ملخه اى تا آن زمان بود.

همچنان كه شركت هواپیمایى گلاستر در زمینه هواپیماهایى با موتور توربو جت براى جنگ تحقیق مى كردند، ویتل آمریكایى ها را در تكمیل موفقیت آمیز اولین نمونه موتور جت یارى مى داد.

كتاب وى با نام «جت، داستان یك پیشرو» در سال 1953 منتشر شد. او در سال 1977 استاد تحقیق آكادمى فنون و علوم هوایى آمریكا در آناپولیس مرى لند شد. وى در سال 1996در شهر مرى لند ایالت كلمبیا چشم از جهان فروبست.

نحوه کارکرد

انواع موتورهای جت

موتورهای جت به چند دسته اساسی تقسیم می شوند:

.توربوفن Turbo Fan

.توربوجت Turbo Jet

.توربوپراپ Turbo Prop

.پالس جت Pulse Jet

.رم جت Ram Jet

.سکرام جت Scram Jet

در حقیقت، تمام موتورهای جت که توربین دارند، نوع پیشرفته تری از همان موتورهای توریبن گازی هستند که در زمانهای دورتر استفاده می شده است. از موتورهای توربین گازی بیشتر برای تولید برق نه تولید نیروی رانش استفاده می شود. موتورهای جت کلاً بر پایه ی موارد زیر کار می کنند: هوا از مدخل وارد موتور جت شده و سپس با چرخاندن توربین نیروی لازم را برای مکش هوا برای سیکل بعدی آماده کرده و خود از مخرج خارج می شود. در این حالت فشار و سرعت هوای خروجی، بدون در نظر گرفتن اصطکاک، با سرعت و فشار هوای ورودی برابر است. سیکل کاری موتورهای جت پیوسته است، این بدین معناست که هنگامی که هوا وارد کمپرسور می گردد، به سوی توربین عقب موتور رفته و آن را نیز همراه با خروج خود به حرکت در می آورد، یعنی نیروی لازم برای مکش در حقیقت به وسیله توربین انتهایی موتور تولید شده است و بدین گونه است که همزمان با ورود هوا به کمپرسور، توربین نیز به وسیله نیروی تولید شده توسط سیکل قبلی در حال چرخش است و نیروی آن صرف چرخاندن کمپرسور می شود. در این فرآیند، دوباره نیروی تولید شده توسط این سیکل به توربین داده شده و توربین نیروی لازم جهت ادامه کار را فراهم می آورد.

1. موتورهای توربوفن یا Turbo Fan

موتورهای توربوفن در حقیقت چیزی میان موتورهای توربوجت و توربو پراپ هستند. بازده موتورهای توربوفن بسیار زیاد است، و به همین علت هم در بسیاری از هواپیماهای مسافربری و ترابری در سرعت های ساب سونیک Sub Sonic از آن ها استفاده می شود. در موتورهای توربوفن، ابتدا هوا کمپرس شده سپس وارد اتاقک احتراق می شود و بعد از انفجار از طریق شیپوره یا نازل خروجی خارج شده و در طی این فرآیند، نیروی تراست لازم را جهت رانش هواپیما به جلو تامین می نماید. البته در موتورهای توربوفن، مقادیر دیگری از هوا از طریق کنارگذر نیز عبور داده می شود که در نهایت به گازهای خروجی داغ پیوسته و نیروی تراست را افزایش می دهد. تفاوت موتورهای توربوفن با توربوپراپ در این است که موتورهای توربوپراپ، فن یا ملخ ایجاد کننده تراستشان در خارج از پوسته موتور قرار گرفته اما در موتورهای توربوفن، ملخ یا فن تولید کننده تراست کاملاً در درون پوسته موتور قرار گرفته است.

2- موتورهای توربوجت یا Turbo Jet

موتورهای توربو جت، بیشتر بر نیروی تولیدی از گازهای خروجی اتکا دارند و در هواپیماهایی بیشتر کاربرد دارند که با سرعت های مافوق صوت حرکت می کنند. در موتورهای توربوجت، ابتدا، هوا وارد کمپرسور شده و متراکم می گردد. اما چون این هوا با سرعت نسبتاً زیادی وارد موتور گردیده برای احتراق مناسب نمی باشد و بیشتر سوخت مصرف شده، بدون اشتعال هدر می رود. به همین دلیل هوا به قسمت دیفیوژر یا همان کاهنده سرعت فرستاده می شود تا از سرعت آن کاسته شود. در دیفیوژر، ابتدا از سرعت هوا کاسته و بر دما و فشار آن افزوده می شود. سپس این هوای آماده برای احتراق، به اتاقک احتراق فرستاده می شود. در اتاقک احتراق یا Combaustion Chamber، هوا ابتدا وارد لوله احتراق گشته، با سوخت مخلوط شده سپس منفجر می گردد. قسمتی از نیروی حاصله از این انفجار صرف گرداندن توربین شده و مابقی برای تولید نیروی رانش به کار می رود. گاهی در هواپیماهای توربوجت، بعد از شیپوره خروجی یا نازل، قسمتی به نام پس سوز یا After Burner قرار می دهند که بر نیروی تراست می افزاید.

After Burner یا قسمت پس سوز چگونه کار می کند؟

هنگامی که گازهای خروجی از موتور خارج می شوند، هنوز مقداری اکسیژن و سوخت مصرف نشده دارند که در قسمت پس سوز، با مشتعل ساختن دوباره گازهای خروجی و افزایش 4 برابر سوخت معمولی به این مخلوط، به طور قابل توجهی بر نیروی تراست می افزایند. البته استفاده از پس سوز فقط در شرایط اضطراری و شرایط جنگی مجاز است در غیر این صورت مجاز نیست. تنها هواپیمای مسافربری با پس سوز، هواپیمای کنکورد Concorde ساخت مشترک آلمان، انگلیس و فرانسه است که به علت ایجاد آلودگی صوتی زیاد و مصرف سوخت بالا، بازنشست شد.

4- موتورهای پالس جت یا Pulse Jet

موتورهای پالس جت دارای توربین، کمپرسور، یا شفت نمی باشند و تنها قطعه متحرک البته در نوع دریچه دار، دریچه آن می باشد. در این گونه موتورها، ابتدا توده بزرگی از انفجار در داخل موتور صورت می پذیرد که سبب بسته ماندن دریچه می شود. چون تنها راه فرار هوا از موتور قسمت انتهای آن می باشد هوا به طرف آنجا هجوم می آورد.در نتیجه تر ک هوا، خلا یا حالت مکشی به وجود آمده که باعث باز شدن دریچه و ورود هوای تازه می شود. در این حالت، مقداری هوای محترق شده از خروج بازمانده و صرف تراکم و انفجار گاز تازه وارد می گردد و سیکل به همین ترتیب ادامه پیدا می کند.در نوع بدون دریچه، از یک خم برای ایفای نقش دریچه استفاده می شود که با انفجار گازها و بدلیل وجود این خم، کاهش فشار صورت گرفته و مقداری از گازهای خروجی باز می گردند به همین ترتیب سیکل ادامه داده می شود.

5- موتورهای رم جت یا Ram Jet:

موتورهای رم جت، هیچ قطعه ی متحرکی ندارند و در نگاه اول، مانند یک لوله توخالی به نظر می رسند که بیشتر در سرعت های مافوق صوت به کار می روند. موتورهای رم جت نیز مانند پالس جت، دارای توربین، کمپرسور یا ... نمی باشند استفاده از آنها به عنوان موتور دوم معمول است که بیشتر در موشکها به کار می روند. در این گونه موتورها، برای روشن شدن موتور ابتدا باید سرعت هوا به مقدار لازم برسد در صورت رخداد چنین حالتی، موتور جت به طور خودکار خود را روشن می کند. در موتور رم جت، هوا با سرعت زیاد وارد موتور شده و به علت سرعت بیش از حد، در قسمت دیفیوژر به خوبی کمپرس و متراکم شده و دما و فشار آن بسیار بالا می رود. در این حالت مخلوط هوا و سوخت منفجر گشته و با خروج از موتور، نیروی تراست بسیار زیادی را آزاد می کنند. این موتورها قدرت بسیار زیادی را دارا می باشند اما برای شروع پرواز و برخاست مناسب نمی باشند.

6- موتورهای اسکرم جت یا Scram Jet:

نام این موتورها از دو واژه Super Sonic و Combustion گرفته شده که به معنای انفجار در سرعت مافوق صوت است. این گونه موتور ها در سرعت های هایپر سونیک Hyper Sonic به کار می روند و طرز کار آنها بسیار مشابه موتورهای رم جت با تغییراتی می باشد. این نکته قابل توجه است که مشتعل ساختن مولکول های هوا در حالی که هوا با سرعت بالای 4 ماخ وارد موتور می گردد، مانند روشن کردن کبریت در گردباد تورنادو است! و از همین جا می توان درک کرد که چه تکنولوژی عظیمی در این لوله توخالی به کار گماشته شده است. شایان ذکر است که اولین هواپیمای دارای موتور سکرم جت، هواپیمای X-43 است که سرعت آن بالای 7 ماخ می باشد.

اجزای اصلی موتورهای جت:

1. کمپرسور:

کمپرسورها وظیفه متراکم کردن هوای ورودی را بر عهده دارند. کمپرسورها بر دو نوع هستند: 1- کمپرسورهای محوری 2- کمپرسورهای شعاعی یا گریز از مرکز. کمپرسورهای محوری که در اکثر موتورهای جت امروزی استفاده می شود، از چند طبقه فن یا پنکه به تعداد مشخص (دو یا بیشتر) تشکیل شده است که هرچه به سمت درون بیشتر پیش برویم، از زاویه پره های فن ها کاسته می شود و همچنین توسط همین تیغه ها یا پره ها، به سیال جهت حرکت داده شده و با کاهش زاویه پره ها، به فشار سیال یا هوا افزوده و از سرعتش کم شده و در نتیجه متراکم می گردد. اما در کمپرسورهای شعاعی یا گریز از مرکز، که بیشتر در موتورهای گازی ساده یا قدیمی کاربرد داشته است، در اصل هوا به یک مانع برخورد کرده و سپس توسط پره های آن به قسمت دیفیوژر یا کاهنده سرعت منحرف می شود که این فرآیند با ازدیاد فشار همراه است، در نتیجه هوا متراکم می گردد.

2- سیستم احتراق:

سیستم احتراق، شامل سوخت پاش، جرقه زن و اتاقک و لوله احتراق می گردد. فرآیند انفجار در درون لوله های احتراق صورت می پذیرد که این عمل با وارد شدن هوا به اتاقک و مخلوط شدن آن با سوخت سپس انفجار آن به وسیله شمع جرقه زن انجام می شود. انژکتور Injector وسیله است که با استفاده از نیروی موتور، سوخت را به پودر تبدیل می کند و حکمت این کار در بهتر مشتعل شدن در صورت تبدیل به پودر نهفته است. البته سوخت قبل از ورود به انژکتور، مقداری گرم شده تا برای احتراق آماده تر باشد. ابتدا انژکتور سوخت را روی هوای متراکم می پاشد و سپس این مخلوط آماده انفجار است که به وسیله شمع جرقه زن، این عمل صورت می گیرد.

3- سیستم توربین:

در اینجا، ابتدا هوای منفجر شده به پره های توربین برخورد کرده و نیروی لازم جهت گرداندن کمپرسور و مکش هوا برای سیکل بعدی تولید می شود که این نیرو به وسیله شفتی به کمپرسور انتقال داده شده و باعث حرکت آن می شود. قبل از توربین، استاتور توربین وجود دارد که برای تنظیم جهت حرکت سیال هوا برای ورود به قسمت توربین به کار می رود. توربین ها نیز به دو دسته محوری و شعاعی تقسیم می شوند که نوع محوری چند طبقه است. چون دمای کارکرد توربین بسیار بالا می باشد، در ساخت آن از آلیاژهای مخصوصی استفاده می شود.

4- سیستم خروج گازهای داغ:

این سیستم، در حقیقت تولید تراست واقعی را برای رانش هواپیما به جلو می کند و سهم اصلی را در تولید و توضیع فشار دارد. در مدل های متحرک، زاویه پره های شیپوره انتهایی موتور برای میزان کردن فشار قابل تنظیم است. گفتنی است سیستم پس سوز یا After Burner بعد از این بخش نصب می شود. به این قسمت، نازل Nozzle هم گفته می شود.

5- سیستم کشش برگردان یا Thrust Reversation System:

در سیستم کشش برگردان، به وسیله دریچه هایی، نیروی تراست موتور برعکس می شود، بدین صورت که خلبان در هنگام فرود نیروی برگردان را فعال ساخته و از آن به عنوان ترمز استفاده می کند، یعنی نیروی موتور در جهت عکس اعمال می شود. البته توضیح خود این سیستم و کلیه سیستم های دیگر هر یک می تواند به اندازه یک کتاب توضیحات تکمیلی نیاز داشته باشد اما در اینجا به ذکر همین نکات کوتاه و جزئی و اجمالی بسنده می شود. در صورت اظهار علاقه خوانندگان به چگونگی کار کرد این موتور ها مقالات بیشتر را در این زمینه شاهد خواهید بود. لازم به ذکر است که ساخت موتورهای جت به صورت خانگی هم امکان پذیر است و هم اکنون رواج بسیاری در بین جوانان علاقه مند به این علم دارد و یک چنین موتورهای جت دست سازی به طور گسترده ای در هواپیماهای مدل قدرتمند به کار گرفته می شوند.