موتور جت چگونه کار می‌کند؟
اگر نگاهی دقیق به عملکرد داخلی پیچیده یک موتور توربوفن مدرن بیندازید، نحوه عملکرد آن شما را متحیر خواهد کرد.
موتور جت یک قطعه صنعتی بسیار پیچیده است که وظیفه‌ای ساده به عهده دارد: تامین نیروی محرکه‌ای که هواپیما برای پرواز به آن نیاز دارد. زمانی که هواپیما روی باند حرکت می‌کند و سپس به آسمان می‌رود، افراد احساس می‌کنند که کمی به داخل صندلی خود فرو می‌روند، شاید بتوانید علت آن را حدس بزنید. در زیر هر بال هواپیما، موتور‌های توربوفن قرار دارند، که هوا وارد آن‌ها شده، و موتور‌ها این هوا را به سمت عقب شتاب می‌دهند تا نیروی رانش مورد نیاز برای پرواز را تولید کنند.
ممکن است جزئیات داخلی موتور‌های تجاری شرکت‌هایی نظیر: «جنرال الکتریک»، «رولز رویس»، و «پرت اند ویتنی» با هم متفاوت باشند، اما اصول اولیه آنچه در آن‌ها اتفاق می‌افتد یکسان است.
اما بوث، یکی از مدیران زیر سیستم در رولز رویس می‌گوید: «یک موتور جت توربوفن مدرن بر اساس قانون سوم نیوتن کار می‌کند. هر کنشی واکنشی دارد به همان مقدار و در جهت مخالف آن.»
در حالی که توضیحات فنی سطح بالا، ممکن است ساده به نظر برسد، اما فرآیند درون خود موتور، هم پیچیده و هم جذاب است. در این مقاله به عملکرد داخلی موتور هواپیما، از فشرده شدن هوا تا احتراق سوخت و بالا رفتن دما، پرداخته‌ایم.
فن‌های جلوی موتور، هوا را به داخل می‌کشند
اگر از گیت‌های فرودگاه به موتور یک هواپیما نگاه کنید می‌توانید پره‌های فن که در داخل بدنه موتور، و در جلو آن قرار دارند را ببینید. قطر این پره‌ها واقعا بزرگ هستند. مثلا موتور GE۹X جنرال الکتریک دارای یک فن با ۱۶ پره است که قطر آن تقریبا ۵ متر است. یکی از این موتور‌ها می‌تواند ۴۷۰ هزار نیوتن، نیروی رانش تولید کند، اگرچه طبق رکورد ثبت شده در سال ۲۰۱۷، این موتور حتی می‌تواند به یکباره انرژی بیشتری نیز تولید کنید.
کریستوفر لورنس، مهندس ارشد در GE Aerospace می‌گوید: «یک فن بزرگ در جلو هواپیما وجود دارد که در واقع حدود ۹۰ درصد نیروی رانش را تأمین می‌کند.»
موتور GE۹۰ را در نظر بگیرید که در هواپیما‌هایی مانند بوئینگ ۷۷۷ در زیر بال‌های هواپیماها آویزان است. شرکت سازنده این موتور می‌گوید: هر یک از موتور‌های این هواپیما، در هنگام بلند شدن، در هر ثانیه حدود ۱۶۰۰ کیلوگرم هوا را به داخل می‌کشند.
فن در هوا می‌چرخد و با عبور هوا از موتور، مقدار نسبتاً کمتری از هوا در یک مسیر به جریان می‌افتد و به سمت مرکز و هسته دستگاه می‌رود. اما بیشتر هوا از کنارهسته عبور می‌کرده (یا اصطلاحا بای‌پس می‌شود) و از آن عبور می‌کند و مستقیماً از پشت خارج می‌شود. هوای بای‌پس شده در واقع هوایی است که از هسته عبور نمی‌کند و برای به حرکت درآوردن هواپیما، بیشترین کار را انجام می‌دهد.
تفاوت بین حجم هوایی که از هسته عبور می‌کند و حجم هوای بای‌پس شده در هسته موتور، با عنوان «نسبت بای‌پس موتور» شناخته می‌شود. سازندگان موتور می‌خواهند که نسبت بای پس موتور در بالاترین راندمان ممکن باشد. لورنس می‌گوید: «کارآمدترین راه برای انجام این کار، گرفتن هوای زیاد و کمی افزایش فشار است. موتور‌های اولیه هواپیماها، نسبت بای پس بسیار پایینی داشتند؛ بنابراین بیشتر هوا از هسته عبور می‌کرد، و تنها مقدار کمی از هوا از طریق بای‌پس و با سرعت نسبتا بالایی از آن عبور می‌کرد. "، اما امروزه موتور‌های توربوفن نسبت بای پس بسیار بالایی پیدا کرده‌اند.
البته استثنایی که در اینجا وجود دارد موتور‌های جت در هواپیما‌های نظامی هستند، مثلا موتور جت‌های جنگنده که نسبت به موتور هواپیما‌های تجاری، نسبت بای پس بزرگی ندارند. این هواپیماها علاوه بر صرفه‌جویی در مصرف سوخت، مزیت‌های دیگری نیز دارند - مانند توانایی مانورپذیری بالا، رسیدن به سرعت‌های مافوق صوت و قرار نگرفتن آن‌ها در دیدرس، به دلیل یکپارچگی نزدیک آن‌ها با بدنه؛ و امکان استفاده از پس‌سوزها. (پس‌سوز به انگلیسی Afterburne، جزئی است که به موتور جت هواپیما‌های مافوق صوت اضافه می‌شود. استفاده از این حالت می‌تواند رانش را تا ۷۰٪ افزایش دهد.).
فشرده شدن هوا در هسته و احتراق
پره‌های فن در جلو برای چرخش نیاز به نیرو دارند و اینجاست که هسته موتور وارد عمل می‌شود. درصد کمی از هوایی که از هسته عبور می‌کند (حدود ۱۰ درصد، زیرا ۹۰ درصد دیگر بای‌پس می‌شوند) یک فرآیند چند مرحله‌ای را تجربه می‌کند.
اولین بخش هسته، کمپرسور است، و همانطور که از اسمش پیداست، جایی است که هوا در آن فشرده می‌شود. در این قسمت هوا متراکم‌تر شده و گرم می‌شود. بوث می‌گوید: «پره‌های کمپرسور شامل چندین قسمت پله‌ای شکل چرخان، و محور‌های کمپرسور که ساکن هستند، می‌باشد. به تدریج با کوچک‌تر شدن و کوچک‌تر شدن تیغه‌های کمپرسور، هوا فشرده و فشرده‌تر می‌شود.
البته هوا نمی‌خواهد که فشرده شود، و انجام فشرده‌سازی آن روندی کاربر است. به گفته بوث: «این کار مثل این است که بخواهیم آب را در یک سربالایی به جریان بیاندازیم!»
پس از مرحله کمپرسور، نوبت به احتراق می‌رسد. سوخت جت مشتعل می‌شود و هوا را بیشتر گرم می‌کند. لورنس که یک سرمهندس در جنرال الکتریک است می‌گوید: اگر دمای هوا در انتهای دم کمپرسور، در حدود ۶۵۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد باشد، ممکن است پس از عبور از محفظه احتراق به ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد یا بیشتر برسد. برای مقایسه، باید بگوییم که دمای گدازه‌های یک آتشفشان در هاوایی در حدود ۱۱۷۰درجه است.
به گفته لورنس: هوای سوزانی که از محفظه احتراق خارج می‌شود، به طرز شگفت‌انگیزی، «بالاتر از نقطه ذوب پره‌های توربین‌های پشت سر آن‌ها هستند». در واقع ما باید هوا را از طریق آن پره‌ها پمپاژ کنیم تا از ذوب شدن پره‌ها جلوگیری کنیم. این هوای نسبتاً خنک‌تر از قسمت کمپرسور می‌آید. رولز رویس نیز برای جلوگیری از ذوب شدن پره‌های توربین خود، کاری مشابه این را انجام می‌دهد.
سازندگان موتور هواپیما می‌خواهند تا هم نسبت بای پس بزرگی داشته باشند، و هم داخل موتور بسیار داغ باشد. لورنس می‌گوید: «هرچه دما را بالاتر ببرید، کارآیی هسته بیشتر می‌شود.»
تولید انرژی توسط توربین‌ها در هسته موتور
بعد از اینکه هوا بسیار گرم شد، بعنوان آخرین وظیفه یک کار مهم وجود دارد: چرخاندن تعدادی توربین. در یک موتور جنرال الکتریک دو توربین وجود دارد، یک توربین فشار قوی و یک توربین کم فشار. لورنس می‌گوید: «شما حجم مشخصی از هوا را دارید که انرژی بالایی دارد. دلیل انجام همه این کار‌ها این است که انرژی در این مرحله از طریق توربین آزاد شود.»
هریک از این دو توربین وظیفه خاصی بر عهده دارند. لورنس می‌گوید اول اینکه توربین فشار قوی «این انرژی را گرفته و کمپرسور را می‌چرخاند، که این کار اساساً باعث راه‌اندازی هسته می‌شود.»؛ و سپس در توربین کم فشار، آن انرژی دریافت شده و شفت را می‌چرخاند که باعث چرخش فن (در جلوی موتور) می‌شود.
در موتور‌های ترنت رولز رویس، نظیر آنچه در ایرباس A۳۵۰ وجود دارد، یک توربین فشار متوسط نیز بین توربین‌های فشار قوی و کم فشار وجود دارد. در این صورت، دو توربین اول باعث می‌شوند تا کمپرسور کار کند و توربین آخری، به پره‌های بزرگ جلو فن نیرو می‌دهند.
به طور خلاصه: هوایی که وارد هسته می‌شود، فشرده شده و با احتراق سوخت، داغ‌تر می‌شود. سپس این هوای فشرده داغ توربین‌ها را به حرکت در آورده و یکی از آن توربین‌ها، به پره‌های فنی که در جلوی موتور قرار گرفته است، نیرو می‌دهد. به یاد داشته باشید، این بای‌پس هوا در کنار هسته است که در مقایسه با اگزاست هسته (که وظیفه آن تخلیه گاز داغ به درون اتمسفر است)، بیشترین نیروی رانش را به موتور می‌دهد.
بوث می‌گوید: «سرعت هوای بای‌پس شده، نسبت به آنچه از هسته موتور عبور می‌کند کمتر است و این هوا همچنان آنقدر جرم دارد که تولید نیروی رانش زیادی کند.» به خاطر این نیروی رانش است که هواپیما می‌تواند به سمت آسمان پرواز کند.
