فهم المحركات النفاثة
المحرك النفاث هو نوع من أنظمة الدفع شائع الاستخدام في الطيران والفضاء. مبدأها الأساسي هو سحب الهواء من الأمام، وضغطه، وخلطه مع الوقود وحرق الخليط، ثم نفخه من الخلف بسرعة عالية لإنتاج قوة الدفع. تسمح طريقة الدفع هذه للطائرات بالتحليق بسرعات وارتفاعات عالية.
كيف تعمل المحركات النفاثة
يمكن تلخيص عمل المحرك النفاث في أربع مراحل رئيسية: السحب، والضغط، والاحتراق، والعادم.
- المدخول : يدخل الهواء إلى المحرك من خلال مدخل ويوجه إلى الضاغط. تم تصميم المدخل لضمان تدفق الهواء بسلاسة إلى الضاغط.
- الضغط : يتم بعد ذلك ضغط الهواء بواسطة سلسلة من المراوح الموجودة داخل الضاغط. هذه العملية تزيد من ضغط الهواء ودرجة حرارته. تعد نسبة الضغط، وهي نسبة ضغط خروج الضاغط إلى ضغط الدخول، مقياسًا رئيسيًا للأداء للمحركات النفاثة. من الناحية الرياضية، يتم تعريف نسبة الضغط ( \(CR\) ) على أنها \(CR = \frac{P {exit}}{P {inlet}}\) حيث \(P {exit}\) هو الضغط عند مخرج الضاغط و \(P{inlet}\) هو الضغط عند مدخل الضاغط.
- الاحتراق : يتم بعد ذلك خلط الهواء عالي الضغط بالوقود (عادة كيروسين الطيران) في غرفة الاحتراق. يتم إشعال الخليط مما يؤدي إلى احتراقه وتمدده بسرعة. هذه العملية تزيد بشكل كبير من درجة حرارة الهواء وحجمه.
- العادم : تخرج الغازات الساخنة ذات الضغط العالي من خلال توربين وفوهة في نهاية المحرك. عندما تخرج الغازات من المحرك، فإنها تنتج تيارًا من العادم يدفع المحرك (والطائرة) للأمام. المبدأ الذي يفسر هذه الحركة إلى الأمام هو قانون نيوتن الثالث للحركة، والذي ينص على أن لكل فعل رد فعل مساو له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه.
أنواع المحركات النفاثة
هناك عدة أنواع من المحركات النفاثة، كل منها مصمم لتطبيقات ومتطلبات أداء محددة.
- المحركات النفاثة : أبسط أشكال المحركات النفاثة، حيث يمر كل الهواء عبر قلب المحرك. كانت المحركات النفاثة هي النوع الأول من المحركات النفاثة التي تم تطويرها، وهي معروفة بسرعتها العالية وكفاءتها العالية على ارتفاعات عالية.
- المحركات التوربينية : تحتوي هذه المحركات على مروحة كبيرة في المقدمة، مما يزيد من حجم الهواء الذي يتجاوز قلب المحرك. وهذا يجعل المحركات التوربينية المروحية أكثر هدوءًا وأكثر كفاءة في استهلاك الوقود من المحركات النفاثة، خاصة عند السرعات والارتفاعات المنخفضة. تُعرف نسبة الهواء الذي يتجاوز قلب المحرك إلى الهواء الذي يمر عبر القلب بنسبة الالتفافية.
- المحركات التوربينية : تجمع بين محرك نفاث ومروحة. تتميز هذه المحركات بالكفاءة عند السرعات المنخفضة وتستخدم بشكل شائع في الطائرات الإقليمية الأصغر حجمًا.
مبادئ التشغيل
يمكن فهم تشغيل المحرك النفاث بشكل أكبر من خلال مبدأ الحفاظ على الزخم. يمكن تقريب الدفع الناتج عن المحرك النفاث، \(T\) ، بالمعادلة \(T = \dot{m}(v {e} - v {0}) + A {e}(p {e} - p_{0})\) حيث
- \(\dot{m}\) هو معدل تدفق الكتلة للهواء،
- \(v_{e}\) هي سرعة غازات العادم،
- \(v_{0}\) هي سرعة الطائرة (أو السرعة الأولية للهواء)،
- \(A_{e}\) هي مساحة فوهة العادم،
- \(p_{e}\) هو ضغط غازات العادم، و
- \(p_{0}\) هو الضغط المحيط.
تسلط هذه الصيغة الضوء على أهمية سرعة العادم (
\(v {e}\) ) في توليد الدفع. كلما زادت سرعة العادم بالنسبة لسرعة الطائرة (
\(v{0}\) )، زاد الدفع الناتج.
الكفاءة والأداء
تعد كفاءة المحرك النفاث أمرًا بالغ الأهمية لأدائه وتأثيره على البيئة. ويمكن قياس الكفاءة بعدة طرق، بما في ذلك كفاءة الوقود والكفاءة الحرارية والكفاءة الدفعية.
- كفاءة الوقود : تشير إلى مقدار الدفع الناتج لكل وحدة من الوقود المستهلك. أدت التحسينات في تصميم المحرك، مثل نسب الضغط الأعلى والمواد المتقدمة، إلى زيادة كفاءة استهلاك الوقود في المحركات النفاثة الحديثة.
- الكفاءة الحرارية : تتعلق بمدى فعالية المحرك في تحويل طاقة الوقود إلى طاقة ميكانيكية. ويتم تحديده من خلال درجة الحرارة القصوى التي يمكن للمحرك الوصول إليها أثناء عملية الاحتراق.
- الكفاءة الدفعية : تقيس مدى فعالية استخدام المحرك للطاقة المولدة لدفع الطائرة. تميل المحركات ذات نسب الالتفافية الأعلى، مثل المحركات التوربينية، إلى الحصول على كفاءة دفع أعلى.
التحديات والابتكارات
تواجه تكنولوجيا المحركات النفاثة باستمرار تحديات مثل تقليل الضوضاء وتحسين كفاءة استهلاك الوقود وتقليل الانبعاثات. وتشمل الابتكارات التي تعالج هذه التحديات تطوير محركات ذات نسب تجاوز أعلى، واستخدام المواد المركبة لتقليل الوزن، والبحث في أنواع الوقود البديلة.
مع استمرار تطور تكنولوجيا المحركات النفاثة، فإنها تحمل الوعد بطيران أكثر كفاءة وأكثر هدوءًا وصديقًا للبيئة. يعد فهم المبادئ الأساسية التي تحكم عملها أمرًا ضروريًا لتقدير التقدم في تكنولوجيا الطيران.
