ทำความเข้าใจกับเครื่องยนต์เจ็ท
เครื่องยนต์ไอพ่นเป็นระบบขับเคลื่อนชนิดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในการบินและอวกาศ หลักการพื้นฐานของมันคือการดึงอากาศเข้ามาทางด้านหน้า อัดอากาศ ผสมกับเชื้อเพลิงแล้วเผาส่วนผสม จากนั้นจึงระเบิดไปทางด้านหลังด้วยความเร็วสูงเพื่อสร้างแรงผลักดัน วิธีการขับเคลื่อนนี้ช่วยให้เครื่องบินบินด้วยความเร็วและระดับความสูงได้สูง
เครื่องยนต์ไอพ่นทำงานอย่างไร
การทำงานของเครื่องยนต์ไอพ่นสามารถสรุปได้เป็นสี่ขั้นตอนหลัก: ไอดี การบีบอัด การเผาไหม้ และไอเสีย
- ไอดี : อากาศเข้าสู่เครื่องยนต์ผ่านทางไอดีและถูกส่งไปยังคอมเพรสเซอร์โดยตรง ช่องทางเข้าได้รับการออกแบบมาเพื่อให้แน่ใจว่าอากาศไหลเข้าสู่คอมเพรสเซอร์ได้อย่างราบรื่น
- การบีบอัด : จากนั้นอากาศจะถูกบีบอัดโดยชุดพัดลมภายในคอมเพรสเซอร์ กระบวนการนี้จะเพิ่มความดันและอุณหภูมิของอากาศ อัตราส่วนกำลังอัดซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงดันทางออกของคอมเพรสเซอร์ต่อแรงดันขาเข้า เป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักสำหรับเครื่องยนต์ไอพ่น ในแง่คณิตศาสตร์ อัตราส่วนการบีบอัด ( \(CR\) ) ถูกกำหนดเป็น \(CR = \frac{P {exit}}{P {inlet}}\) โดยที่ \(P {exit}\) คือความดันที่ ทางออกของคอมเพรสเซอร์ และ \(P{inlet}\) คือความดันที่ทางเข้าของคอมเพรสเซอร์
- การเผาไหม้ : จากนั้นอากาศแรงดันสูงจะถูกผสมกับเชื้อเพลิง (โดยปกติคือน้ำมันก๊าดในอากาศ) ในห้องเผาไหม้ ส่วนผสมถูกจุดไฟทำให้เกิดการเผาไหม้และขยายตัวอย่างรวดเร็ว กระบวนการนี้จะเพิ่มอุณหภูมิและปริมาตรของอากาศอย่างมาก
- ไอเสีย : ก๊าซแรงดันสูงที่ร้อนจะไหลออกทางกังหันและหัวฉีดที่ปลายเครื่องยนต์ เมื่อก๊าซออกจากเครื่องยนต์ ก๊าซจะปล่อยไอพ่นออกมาเพื่อขับเคลื่อนเครื่องยนต์ (และเครื่องบิน) ไปข้างหน้า หลักการที่อธิบายการเคลื่อนที่ไปข้างหน้านี้คือกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน ซึ่งระบุว่าในทุกการกระทำ จะมีปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม
ประเภทของเครื่องยนต์ไอพ่น
เครื่องยนต์ไอพ่นมีหลายประเภท แต่ละประเภทได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานเฉพาะและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ
- เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท : เครื่องยนต์ไอพ่นรูปแบบที่ง่ายที่สุด โดยที่อากาศทั้งหมดไหลผ่านแกนกลางของเครื่องยนต์ Turbojets เป็นเครื่องยนต์ไอพ่นประเภทแรกที่ได้รับการพัฒนาและเป็นที่รู้จักในด้านความเร็วและประสิทธิภาพที่สูงในระดับความสูง
- เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน : เครื่องยนต์เหล่านี้มีพัดลมขนาดใหญ่อยู่ด้านหน้า ซึ่งช่วยเพิ่มปริมาณอากาศที่ผ่านแกนกลางของเครื่องยนต์ สิ่งนี้ทำให้เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนเงียบกว่าและประหยัดเชื้อเพลิงมากกว่าเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท โดยเฉพาะที่ความเร็วและระดับความสูงต่ำ อัตราส่วนของอากาศที่ผ่านแกนเครื่องยนต์ต่ออากาศที่ไหลผ่านแกนกลางเรียกว่าอัตราส่วนบายพาส
- เครื่องยนต์เทอร์โบพร็อป : ผสมผสานเครื่องยนต์ไอพ่นเข้ากับใบพัด เครื่องยนต์เหล่านี้มีประสิทธิภาพที่ความเร็วต่ำ และมักใช้กับเครื่องบินระดับภูมิภาคขนาดเล็ก
หลักการทำงาน
การทำงานของเครื่องยนต์ไอพ่นสามารถเข้าใจเพิ่มเติมได้ผ่านหลักการอนุรักษ์โมเมนตัม แรงผลักดันที่เกิดจากเครื่องยนต์ไอพ่น \(T\) สามารถประมาณได้จากสมการ \(T = \dot{m}(v {e} - v {0}) + A {e}(p {e} - p_{0})\) โดยที่
- \(\dot{m}\) คืออัตราการไหลของอากาศ
- \(v_{e}\) คือความเร็วของก๊าซไอเสีย
- \(v_{0}\) คือความเร็วของเครื่องบิน (หรือความเร็วเริ่มต้นของอากาศ)
- \(A_{e}\) คือพื้นที่ของหัวฉีดไอเสีย
- \(p_{e}\) คือความดันของก๊าซไอเสีย และ
- \(p_{0}\) คือความดันบรรยากาศ
สูตรนี้เน้นถึงความสำคัญของความเร็วไอเสีย (
\(v {e}\) ) ในการสร้างแรงขับ ยิ่งความเร็วไอเสียสัมพันธ์กับความเร็วของเครื่องบินสูง (
\(v{0}\) ) แรงขับก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
ประสิทธิภาพและสมรรถนะ
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ไอพ่นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสมรรถนะและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ประสิทธิภาพสามารถวัดได้หลายวิธี ได้แก่ ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง ประสิทธิภาพเชิงความร้อน และประสิทธิภาพการขับเคลื่อน
- ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง : ระบุโดยปริมาณแรงขับที่เกิดขึ้นต่อหน่วยการใช้เชื้อเพลิง การปรับปรุงการออกแบบเครื่องยนต์ เช่น อัตรากำลังอัดที่สูงขึ้นและวัสดุขั้นสูง ได้เพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ไอพ่นสมัยใหม่
- ประสิทธิภาพเชิงความร้อน : เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ในการแปลงพลังงานเชื้อเพลิงเป็นพลังงานกล ถูกกำหนดโดยอุณหภูมิสูงสุดที่เครื่องยนต์สามารถทำได้ในระหว่างกระบวนการเผาไหม้
- ประสิทธิภาพการขับเคลื่อน : เป็นการวัดว่าเครื่องยนต์ใช้พลังงานที่สร้างขึ้นเพื่อขับเคลื่อนเครื่องบินได้อย่างมีประสิทธิภาพเพียงใด เครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนบายพาสสูงกว่า เช่น เครื่องยนต์เทอร์โบแฟน มีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพในการขับเคลื่อนสูงกว่า
ความท้าทายและนวัตกรรม
เทคโนโลยีเครื่องยนต์ไอพ่นเผชิญกับความท้าทายอย่างต่อเนื่อง เช่น การลดเสียงรบกวน การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง และการลดการปล่อยมลพิษ นวัตกรรมที่จัดการกับความท้าทายเหล่านี้ ได้แก่ การพัฒนาเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนบายพาสที่สูงขึ้น การใช้วัสดุคอมโพสิตเพื่อลดน้ำหนัก และการวิจัยเกี่ยวกับเชื้อเพลิงทดแทน
เนื่องจากเทคโนโลยีเครื่องยนต์ไอพ่นมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง จึงทำให้การบินมีประสิทธิภาพมากขึ้น เงียบขึ้น และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม การทำความเข้าใจหลักการพื้นฐานที่ควบคุมการดำเนินงานถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการชื่นชมความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการบินและอวกาศ
