آشنایی با موتورهای جت
موتور جت نوعی پیشرانه است که معمولاً در هوانوردی و هوافضا استفاده می شود. اصل اساسی آن این است که هوا را در جلو بکشید، آن را فشرده کنید، آن را با سوخت مخلوط کنید و مخلوط را بسوزانید، و سپس آن را از پشت با سرعت بالا منفجر کنید تا نیروی رانش ایجاد شود. این روش رانش به هواپیما اجازه می دهد تا با سرعت و ارتفاع بالا پرواز کند.
موتورهای جت چگونه کار می کنند
کار یک موتور جت را می توان در چهار مرحله اصلی خلاصه کرد: ورودی، فشرده سازی، احتراق و اگزوز.
- ورودی : هوا از طریق یک ورودی وارد موتور شده و به سمت کمپرسور هدایت می شود. ورودی برای اطمینان از جریان هوای صاف به داخل کمپرسور طراحی شده است.
- فشرده سازی : سپس هوا توسط یک سری فن در داخل کمپرسور فشرده می شود. این فرآیند باعث افزایش فشار و دمای هوا می شود. نسبت تراکم، که نسبت فشار خروجی کمپرسور به فشار ورودی است، یک معیار عملکرد کلیدی برای موتورهای جت است. در شرایط ریاضی، نسبت تراکم ( \(CR\) ) به صورت \(CR = \frac{P {exit}}{P {inlet}}\) تعریف می‌شود که در آن \(P {exit}\) فشار در خروجی کمپرسور و \(P{inlet}\) فشار در ورودی کمپرسور است.
- احتراق : سپس هوای پرفشار با سوخت (معمولاً نفت سفید هوانوردی) در محفظه احتراق مخلوط می شود. مخلوط مشتعل شده و باعث سوختن و انبساط سریع آن می شود. این فرآیند دما و حجم هوا را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.
- اگزوز : گازهای داغ و پرفشار سپس از طریق یک توربین و نازل در انتهای موتور خارج می شوند. همانطور که گازها از موتور خارج می شوند، یک جت اگزوز تولید می کنند که موتور (و هواپیما) را به جلو می راند. اصلی که این حرکت رو به جلو را توضیح می دهد، قانون سوم حرکت نیوتن است که بیان می کند برای هر عمل، واکنشی برابر و مخالف وجود دارد.
انواع موتورهای جت
انواع مختلفی از موتورهای جت وجود دارد که هر کدام برای کاربردها و الزامات عملکردی خاص طراحی شده اند.
- موتورهای توربوجت : ساده ترین نوع موتور جت، که در آن تمام هوا از هسته موتور عبور می کند. توربوجت ها اولین نوع موتور جت بودند که توسعه یافتند و به دلیل سرعت و کارایی بالا در ارتفاعات بالا شناخته شدند.
- موتورهای توربوفن : این موتورها دارای یک فن بزرگ در جلو هستند که باعث افزایش حجم هوایی می شود که موتور هسته را دور می زند. این امر باعث می‌شود موتورهای توربوفن نسبت به توربوجت‌ها، به خصوص در سرعت‌ها و ارتفاعات کمتر، کم‌صداتر و کم مصرف‌تر باشند. نسبت هوایی که هسته موتور را دور می زند به هوای عبوری از هسته به عنوان نسبت بای پس شناخته می شود.
- موتورهای توربوپراپ : یک موتور جت را با یک ملخ ترکیب می کند. این موتورها در سرعت های کمتر کارآمد هستند و معمولاً در هواپیماهای کوچکتر منطقه ای استفاده می شوند.
اصول عملیات
عملکرد یک موتور جت را می توان از طریق اصل بقای تکانه درک کرد. نیروی رانش ایجاد شده توسط یک موتور جت، \(T\) را می توان با معادله \(T = \dot{m}(v {e} - v {0}) + A {e}(p {e} - p_{0})\) کجا
- \(\dot{m}\) نرخ جریان جرمی هوا است،
- \(v_{e}\) سرعت گازهای خروجی است،
- \(v_{0}\) سرعت هواپیما (یا سرعت اولیه هوا) است.
- \(A_{e}\) ناحیه نازل اگزوز است،
- \(p_{e}\) فشار گازهای خروجی است و
- \(p_{0}\) فشار محیط است.
این فرمول اهمیت سرعت اگزوز (
\(v {e}\) ) را در تولید نیروی رانش برجسته می کند. هرچه سرعت اگزوز نسبت به سرعت هواپیما (
\(v{0}\) ) بیشتر باشد، نیروی رانش تولید شده بیشتر است.
کارایی و عملکرد
کارایی یک موتور جت برای عملکرد آن و تأثیرات زیست محیطی آن بسیار مهم است. راندمان را می توان به روش های مختلفی اندازه گیری کرد، از جمله راندمان سوخت، راندمان حرارتی و راندمان نیروی محرکه.
- راندمان سوخت : با میزان نیروی رانش در واحد سوخت مصرفی نشان داده می شود. بهبود در طراحی موتور، مانند نسبت تراکم بالاتر و مواد پیشرفته، باعث افزایش راندمان سوخت موتورهای جت مدرن شده است.
- راندمان حرارتی : به چگونگی تبدیل موثر موتور انرژی سوخت به انرژی مکانیکی مربوط می شود. با حداکثر دمایی که موتور می تواند در طی فرآیند احتراق به دست آورد تعیین می شود.
- راندمان پیشرانه : این اندازه گیری می کند که موتور چقدر از انرژی تولید شده خود برای به حرکت درآوردن هواپیما به طور موثر استفاده می کند. موتورهایی با نسبت بای پس بالاتر، مانند موتورهای توربوفن، بازده پیشرانه بالاتری دارند.
چالش ها و نوآوری ها
فناوری موتور جت به طور مداوم با چالش هایی مانند کاهش نویز، بهبود بهره وری سوخت و کاهش آلاینده ها مواجه است. نوآوری‌هایی که به این چالش‌ها رسیدگی می‌کنند شامل توسعه موتورهایی با نسبت بای پس بالاتر، استفاده از مواد کامپوزیت برای کاهش وزن و تحقیق در مورد سوخت‌های جایگزین است.
همانطور که تکنولوژی موتور جت به تکامل خود ادامه می دهد، نوید حمل و نقل هوایی کارآمدتر، ساکت تر و دوستدار محیط زیست را می دهد. درک اصول اساسی حاکم بر عملکرد آن برای درک پیشرفت های فناوری هوافضا ضروری است.
