نحوه کارکرد موتور جت و آشنایی با پیشرانه هواپیماهای مدرن

با آغاز عصر جت‌ها در پایان دهه ۴۰ میلادی و اوج یافتن آن در دو دهه بعدی، زندگی بشر شکلی تازه به خود گرفت. سفرهای طولانی کشورهای پیشرفته دیگر چند ماه زمان نمی‌برد و همین مسئله باعث می‌شد که مردم روی سفرهای طولانی به مرز ساعت برسد.

خلبانانی که هواپیماهای مجهز به این فناوری را هدایت می‌کردند هم نیازمند دریافت گواهینامه‌ای خاص (فراتر از گواهینامه پرواز خصوصی) بودند تا با نحوه عملکرد موتورهای جت آشنا شوند و درک بهتری از آن داشته باشند. این درک عمیق‌تر به خلبانان اجازه می‌داد تا ایمن‌تر و بهینه‌تر پرواز کنند و نحوه کار آیرودینامیک در پرواز، حرکت و فرود را بهتر بشناسند. ما هم تصمیم داریم در ادامه به این دانش نزدیک‌تر شویم. برای آغاز این مسیر با توسعه این پیشرانه‌های قدرتمند آشنا می‌شویم.

توسعه موتور جت

بهترین راه برای شناخت موتورهای جت، شناخت نحوه آغازبه‌کار آن‌ها و بخش‌هایی است که کنار زدند و جایگزین آن شدند. نخستین مهندسان علاقه‌مند به حوزه‌های هوانوردی، پیش از خلق بالن‌های هوانوردی و گلایدرها هم آرزوی دیدار موتورهایی اینچنینی را داشتند. پیش از جت‌ها، جهان هوانوردی در اختیار موتورهای پیستونی و ملخی بود. با توسعه فناوری موتورهای محرک توربو، توربوپراپ، سرعت هوانوردی تا حد قابل‌توجهی افزایش یافت و هواپیماها قدرتمندتر شدند اما مهندسان همچنان برای مهار تمام پتانسیل آن‌ها مشکل داشتند.

با گذر زمان، انسان به جنگ‌های مدرن نزدیک‌تر شد و از فناوری‌های هوایی استفاده کرد. به‌این‌ترتیب موتورهای جت هم مانند سایر فناوری‌های مدرن در خلل جنگ و برای اهداف نظامی توسعه پیدا کردند. جمع قابل‌توجهی از مهندسان مشهور دنیای هوافضا مانند «ساموئل لانگلی» از سوی «دپارتمان جنگ ایالات‌متحده» سرمایه هنگفی را دریافت کردند تا هواپیمای جنگی توسعه دهند. هر چند که نخستین پرواز برادران رایت سال‌ها قبل رخ داده بود اما این فناوری در طول جنگ با سرعت بسیار زیادی توسعه پیدا کرد؛ به این ترتیب جنگ جهانی یکم شاهد صحنه مبارزه تن‌به‌تن جنگنده‌های طرفین بود.

با فرارسیدن جنگ جهانی دوم، مهندسان به گستره بیشتری از فناوری‌ها دسترسی داشتند و به همین جهت، درکنار توسعه راکت‌ها و موشک‌ها، به پرداخت دانش موتورهای جت هم مشغول شدند. با فرارسیدن به سال ۱۹۳۹ و آغاز جنگ جهانی دوم، موتورهای جت به آزمایشگاه‌ها رسیدند.

فیزیک‌دان آلمانی، «هانس ون اوهاین»، یک پیشرانه توسعه داده بود که قابلیت استفاده جنگی داشت و در جنگنده Me 262 نازی‌ها قرار می‌گرفت. هر چند این پرنده نظامی توانایی پرواز داشت اما مصرف سوخت بالایی داشت و به‌همین دلیل امکان پرواز منطقی را از مهندسان می‌گرفت. درحالی‌که آلمانی‌ها به گسترش فناوری‌ خود مشغول بودند، «فرانک ویتل»، مهندس انگلیسی، هم روی موتور متفقین کار می‌کرد که بعدا در جنگنده «گلاستر متئور» استفاده شد. این پرنده نه‌چندان سریع هم مانند نمونه آلمانی خود، کاربرد چندانی نداشت و زود بازنشسته شد.

با پایان جنگ جهانی دوم و آغاز عصر جت در سال ۱۹۵۸، فناوری موتورهای جنگی جت به هواپیماهای مسافربری رسید. با رشد فناوری، سفرهای متکی بر فناوری جت ارزان‌تر و راحت‌تر شدند. نخستین پروازهای غیرجنگی جت‌ها برفراز دریا هم توسط شرکت بوئینگ و با تکیه‌ بر هواپیمای مسافربری ۷۰۷ اتفاق افتاد.

قواعد و مکانیک موتور جت

موتورهای جت، سرعت بسیار بالای خود را مدیون قانون سوم نیوتن هستند:

هر کنش یک واکنش در جهت مخالف خود دارد.

قانون سوم نیوتن روشن می‌کند که نیروی محرک روبه‌جلو با تکیه‌بر توربین‌های گازی درون موتور ایجاد می‌شود. در بخش جلوی موتور جت، یک فن قرار دارد که هوا را به درون می‌کشد (شما هم با نگاه کردن به موتور جت از جلو می‌توانید پره‌های زیبای موتور جت را ببینید). هوای ورودی به موتور ابتدا توسط کمپرسور (که خود به پره‌ مجهز شده است) فشرده می‌شود.

پس از فشرده‌سازی هوا توسط کمپرسور، هوا با سوخت ترکیب می‌شود. ترکیب سوخت و هوا سپس در محفظه مخصوص خود به آتش کشیده می‌شود و می‌سوزد. این احتراق با انسباط گازها همراه می‌شود و از طریق یک نازل که در بخش انتهای موتور جت قرار دارد به بیرون پرتاب می‌شود. این انرژی متمرکزشده، همان نیروی محرک موتور جت به شمار می‌رود.

واکنش‌ درون‌سوز پیشرانه با سرعت بسیار بالایی رخ می‌دهد و توربین موتورهای جت به‌طور متوسط تا ۱۰ هزار دور در دقیقه می‌چرخند. شما هم می‌توانید مراحل یادشده را مانند خلبان‌ها به‌راحتی به خاطر بسپرید:

1. مکش
2. فشرده‌سازی
3. احتراق
4. پرتاب

سوخت جت

اما چه چیزی در سوخت جت وجود دارد که باعث این واکنش‌های آنی می‌شود؟ سوخت جت به‌صورت فنی با نام «سوخت توربین هوانوردی» و نام مختصر ATF شناخته می‌شود. هر چند جت‌های اولیه از نیروی بخار و بنزین استفاده می‌کردند اما جت‌های مدرن برای بهره‌وری بیشتر خود از سوخت بر پایه نفت سفید استفاده می‌کنند. این روش از سال‌های پس از جنگ جهانی دوم متداول می‌شود. نفت سفید، برشی از نفت خام با نقطه جوش فراتر از بنزین است.

ATF معمولا بی‌رنگ یا زرد کم‌رنگ است و شامل ترکیبی از هیدروکربن‌ها است. مهندسان برای اطمینان از ایمنی، توسعه این نوع سوخت را با استانداردهای خاص انجام می‌دهند. امروزه موتورهای جت با مصارف تجاری از سوخت جت A و جت A-1 استفاده می‌کنند. تفاوت این دو نوع سوخت در این است که نوع جت A در دمای زیر ۴۰ درجه سانتی‌گراد یخ می‌زند اما نوع جت A-1 برای یخ‌زدن به دمایی کمتر از منفی ۵۳ درجه نیاز دارد. بیشتر هواپیماهای مجهز به توربین از ترکیبی از سوخت جت B استفاده می‌کنند که همان سوخت پیشین با ویژگی‌های منحصربه‌فرد برای دوام آوردن در دمای بسیار کم است.

تفاوت مابین موتور جت و توربوپراپ جت

همان‌طور که تاکنون اشاره کردیم، موتورهای جت از توربین‌های پره‌ای برای مکش هوا استفاده می‌کنند. با این وجود استفاده از این فناوری و سوخت جت در تمام انواع هواپیما توجیه اقتصادی ندارد و نمی‌تواند راندمان لازم را به‌همراه بیاورد. به همین دلیل، برخی از هواپیماها از پیشرانه‌های توربوپراپ استفاده می‌کنند که مهندسی مدرن را با فناوری استفاده از مواد سبک‌وزن ترکیب می‌کنند.

موتورهای توربوپراپ مرز میان موتورهای جت مدرن مجهز به توربین و موتورهای قدیمی پیستونی به شمار می‌روند؛ چراکه مانند موتورهای جت از سیستم احتراق مدرن استفاده می‌کنند و درعین‌حال، از ملخ هم سود می‌برند. هر چند با پیشرفت و بهینه‌تر شدن فناوری جت، کاربرد این فناوری کمتر شده اما همچنان هواپیماهای مدرن رده‌بالایی هم وجود دارند که از آن استفاده کنند.

بسیاری از خلبانان فناوری توربوپراپ را به جت ترجیح می‌دهند چون از اتوماسیون کمتری برخودار هستند و عملکرد بهینه‌ای دارند؛ پس برای استفاده در سفرهای کوتاه که به سوخت کمتری نیاز دارند به گزینه‌ای مناسب‌تر تبدیل می‌شوند. تروبوپراپ‌ها همچنان دورافتاده نشده‌اند و با توجه به نیاز شرایط در هواپیماهای مدرن استفاده می‌شوند.