موتورهای جت
با توجه به پیشرفت و فناوری، صنعت حمل و نقل و مسافربری نیز در چندین دهه گذشته دچار تحولات شگرفی از جمله اختراع قطارهای سریع السیر، کشتی های مسافربری چندین طبقه همراه با امکانات فراوان و خاص هواپیما های مسافربری غول پیکر وهواپیماهایی با موتور ما فوق صوت که در یک دوره زمانی، از آنها به عنوان مسافر استفاده شده می توان بنام برد. ولی موتورهای جت چه هستند و چگونه کار می کنند یک موتور جت، بوسیله تخلیه سریع سیال ها برای ایجاد انرژی استفاده می کند، مطابق با قانون سوم حرکت نیوتن، این تعریف شامل موتورهای "توربو جت""توربو فن""راکترها""رم جت ها"و "جت های آبی"می شود. ولی به طور عادی و عامیانه کله جت برای "توربین های گازی"استفاده می شود که برای بوجود آوردن جریان سریعی از گازهای خروجی با سرعت بالا استفاده می شدند.تاریخچه ساخت موتور جت به صده اول بعد از میلاد مسیح بر می گردد وقتی که قهرمان اسکندریه، دستگاهی به نام Aeolipile را اختراع کرد. این دستگاه بوسیله دو لوله، بخار را با فشار به طریق یک شی کروی هدایت کرده و بخار بعث چرخیدن این شی کروی به دور محورش می گشت!نیروی محرکه جت ها درست در زمان اختراع راکت در قرن ۱۱ میلادی به وسیله چینی ها شناخته شد. خروجی راکت ها برای آتش بازی در آن زمان استفاده می شد، ولی به تدریج وارد ارتش شده و به عنوان سلاح از آن استفاده شد.ولی مشکلی که در مورد راکت ها وجود داشت، ناکامی بودن آنها برای صنایع هوایی بودو به جای آن موتورخای پیستونی از ۱۹۳۰ ، با انواع و اقسام مختلفشان تنها نوع از نیروی محرکه ای بود که برای طراحان هواپیما باقی مانده بود. ولی به تدریج مهندسان به یک حقیقت تلخ پی بردند و آن هم محدودیت موتورهای پیستونی بود و همین باعث ایجاد انگیزه برای استفاده از پرها و تورین ها شد و در این زمان بود که دانشمندان به فکر اختراع موتور مولد نیروی محرکه کاملا جدید یا بهبود عملکرد موتورهای پیستونی افتادند که در افزایش بازدهی موتورهای پیستونی را محدود دیده و در نهایت تلاشهایشان به اختراع موتورهای توربین گازی که اصطلاحاً موتور جت نامیده می شوند منجر شد که این اختراع مطمئنا ارزش کمتری از اولین پرواز برداران رایت نداشت.در ۱۹۲۹ یک کار آموز به نام Frank Whittle ایده هایی برای تولید توربو جت به مافوق خود ارائه کرد و او در سال ۱۹۳۰ به طور رسمی مخترع این وسیله شناخته شدا. این دستگاه شامل یک کمپرسور گریز از مرکز قطبی بود که از یک کمپرسور محوری دو مرحله ای تغذیه می کرد.آقای Whittle در سال ۱۹۳۷ اقدام به تست اولین توربو جت خود کرد در اوایل تست همه چیز درست به نظر می رسید، ولی پس از تست یک مشکل به وجود آمد و آن خاموش نشدن توربو جت بود و بالاخره معلوم شد که سوخت درون موتور چک می کند و همین باعث روشن ماندن موتور شده تا اینکه تمام سوخت به پایان برسد. همین مشکل باعث به تعویق افتادن ساخت و تکمیل این پروژه وی شد.موتورهای گریز از مرکز از زمان اختراعاتشان در حال تغییر و تحول و بهبود بازدهی بوده اند با پشرفت فن آوری، سرعت چرخش میله اصلی موتور افزایش یافته و قطر کمپرسور گریز از مرکز نیز کاهش یافته است. طول کم این موتورها، یکی از مزایای آنها به شمار می رفت.هیلکوپترها بهترین نمونه های استفاده از این موتورها هستند. ولی یکی از نکات منفی این موتورهای پره های آنهات که می تواند به اجسام خارجی زیان وارد کرده و در عین حال باعث سقوط هلیکوپتر نیز شود.موتورهای امگلیسی به طور وسیع در آمریکا مورد استفاده می شوند که یکی از مشهورترین این موتورها Nene نام داشت که ارتش شوروی سابق نیز از آنها استفاده می کرد.انواع و اقسام مختلفی از موتورهای جت وجود دارند که تمامی آنها نیروی محرکه خود را از خروجی پر سرعت خود می گیرند.در زیر چندین نوع از موتورهای جت را توضیح داده ایم.۱) "موتور جت آبی"آب را با فشار از خروجی های عقب خود خارج کرده و باعث حرکت و به جلو قایق می شود. این موتور قابلیت حرکت در آب های کم عمق را داراست و همچنین زیان رسیار کمی به محیط زیست می رساند، ولی بازدهی بسیار کمتری نسبت به پره ای دارد.۲) "ترمو جت "که اولین نسل از موتورهای جت با تنفس هوا بود که به صورت یک پیستون سور چارجر دار به همراه یک خروجی جت موجود بوده از مزایای این موتور به سرعت بیشتر خروج گازها از خروجی اگزوز کم قدرت بیشتر را در پی داشت می توان اشاره کرد ولی در ضمنت این موتورها بسیار سنگین بودند و همین یکی از معایت بزرگ آنها بود.۳) "توربو فن"که اولین نسل او کمرپرسورهایی بود که یک جریان هوای خروجی را در هسته موتور ایجاد می کردند. این موتورها صدای خیلی کمتری نسبت به موتورهای دیگر به علت بزرگی قطر خروجی خود ایجاد می کنند و به همین دلیل برای هواپیماهایی با سرعت کمتر از صوت از این موتور استفاده می شد ولی این موتور دارای معایبی همچون پیچیدگی زیاد، لوله های و میله ها، موتوری با قطر زیاد و ضرورت حمل تیغه های سنگین بوسیله آن را می توان نام برد. ولی این موتور همچنین مرسوم ترین نوع موتورهای مورد استفاده کنونی می باشند.این موتور هم اکنون در خط های هدایت، مثال بوینگ ۷۴۷ و جت های نظامی استفاده می شود.۴) "راکت"ککه قادر به پیمودن سرعت هایی برابر با چندین ماخ هستند. ورودی هوای غیر پیچیده، شریب تراکم بالا، خروجی ای به صورت ماورای صوت (۵ تا ۶ برابر سرعت صوت) و راحتی تست از مزایای راکت می باشند.۵) ""Ramjet
که هوای ورودی را فشرده کرده و با همان سرعت بیرون می راند. سبکی و سرعت بالا ازمزایا و نیاز بالا برای عملکرد درست و دارا بودن سرعت پایین به علت ضریب تراکم کم از معایب این موتور می باشد.۶) توربو شفت (Turboshaft) در واقع این یک موتور معمول جت نبوده و از توربین های گازی برای حرکت دادن میله ای که پره ها را می چرخاند استفاده می کند که هلیکوپترها با این موتور از زمین بلند می شوند. کارایی بالا در سرعت های پایین و میزان بالا قدرت به وزن از مزایا و سرعت محدود، صدای زیاد پیچیدگی سیستم انتقال نیرو از معایب این موتور می باشند.۷) "پالس جت"(Pulse) Jet ، در این موتور هوا در ابتدا فشرده شده، بعد نوبت به مرحله احتراق رسیده و نیرو تولید می کند. البته این احتراق متناوب بوده و مداوم نمی باشد و در بعضی از مدل ها نیز از سوپاپ استفاده شده است. از مزایای این موتور طراحی بسیار ساده و استفاده آسان از آن در هواپیماهای مدل می باشد.۸) "توربو راکت"(Turbo Racket) ، همانند توربو جت بوده ولی یکی مکنده اکسیژن به منظور ورود اکسیژن برای افزایش قدرت اضافه شده است.از مزایای این موتور به توانایی کار در ارتفاعات زیاد را می توان اشاره کرد.و اما نگاهی داشته باشیم به بعضی از اجزای موترهای جت (این اجزا در اغلب موتورهای جت مورد استفاده قرار می گیرند ) ورودی هوا، قسمت اصلی و اولیه یک موتور جت می باشد. ورودی هوا جز قسمت های ساده موتور یک جت می باشد که از یک دریچه برای ورود هوا تشکیل شده است. برای رسیدن هوا به کمرپرسور موتور و برای عمل فشرده سازی هوا، هواپیما باید با سرعت کمتر از سرعت صوت پرواز کند. در هواپیماهای مافوق صوت فشار هوای ورودی در ابتدا بوسیله یک مانع کم شده و سپس هوا وارد کمپرسور می شود .
▪ کمرپرسور :کمپرسور از چندین طبقه تشکیل شده است که هر طبقه شامکیل چندین پره چرخنده و یک قسمت ثابت می باشد. هر چقدر که هوا بشتر درون کمپرسور حرکت کند، گرم تر و فشارش بیتر می شود. کمپرسور انرژی خود را از توربین می گیرد.
▪ میله (شفت ) :میله قدرت توربین را به کمپرسور منتقل نی سازد و دارای بیشترین طول در درون می تور می باشد. در یک موتور، میله های موجود تا عدد ۳ نیز می رسند و هر کدام از آنها دارای سرعت جداگانه ای می باشند.محفظه احتراق جایست که سوخت با ادغام شدن با هوا احتراق پیدا می کند.
▪ توربین :همچون یک آسیاب بادی عمل کرده و انرژی گازهای خروجی کمپرسور را استخارج و آزاد می نماید. این انرژی برای به حرکت در آوردن کمپرسور بوسیله میله، یافت ها به کار می رود. و همچنین هوای سرد آزده شده از کمپرسور برای سرد کردن تیغه ها و پره های توربینی برای جلوگیری از ذوب شدن آنها به کار می رود.فازل یا اگزوز، گازهای خروجی اگزوز با فشار اتمسفری از این دریچه ها خارج می شوند.
▪ فازل ماورا صورت :مکنده خهای زیر صورت فشار سنج ورودی هوا قطعه ای غیر قابل حذف برای جت هایی با سرعت کمتر از صوت می باشد.ـ در هنگام سکون هواپیما، هوا از تمام جت ها ممکن می تواند وارد مکنده ها شود و حتی از پشت هواپیما ـ در سرعت های پایین وضعیت فرق کرده و هوا حتی به طور مستقیم می تواند وارد ورودی شده و هوای اطراف آن توانایی وارد شدن به ورودی را ندارند.ـ در سرعت های بالا (زیر دیوار صوتی ) هوای مستقیم که به مرکز ورودی نزدیک می شود، وارد ورودی شده، ولی در قسمت بالا و پایین ورودی هوا به طرف بیرون رانده شده و وارد مکنده نمی شود.در طراحی ورودی ها، مهندسان باید دقت بالایی برای طراحی آن برای وارد شدن کمترین فشار به ورودی را به کار گیرند.سیستم خنک کننده، تمامی موتورهای جت به گاز با حرارت بالا برای بهترین بازدهی نیاز دارند به طور معمول سوخت مناسب برای این هدف هیدروکربن و یا هیدروژن تشخیص داده شده اند. درجه حرارت احتراق در بعضیب موارد سوختی تا ۵۰۰۰ فارنهایت بالاتر از درجه ذوب اجسام نیز رسیده است.سیستم هدایتی، یک سیستم بسیار پیچیده در اغلب جت های توربین دار برای خنک کردن تیغه ها، صفحات و پره های توربین به کار می رود.خنک کردن تیغه باله های جت کار آسانی نیست، به خاطر اینکه خنک کردن آن قسمت تاثیر زیادی بر روی آن ندارد. یکی از راه های جلوگیری از گرم شدن تیغه ها به بکار گیری یک عایق برای پوشاندن آنهاست که جنس مخصوص این عایق مانع از گرم شدن آنها، مانع چکیدن روغن و باعث کنترل هوا برای خنک شدن می شود.خنک کردن اجزای موتور همچنین باعث کم شدن فرسودگی گرمایی در مواد می شود.و در نهایت، موتورهای جت ماشین های پیچیده ای هستند که انسان را قادر به جابجایی با سرعت چندین ماخ مینمایند. صنایع هوای تا جایی پیشرفت کردند که دست به ساخت هواپیمای مسافر بری جت درسال ۱۹۶۹ کرده اند. Concorde جت مسافر بری مشهور خطوط هدایتی فرانسه و انگلستان پروازهای خود را از تاریخ ۲۱ ژانویه ۱۹۷۶ آغاز کرده و پس از چندین صانحه هوایی دلخراش از خطوط هوایی کنار گذاشته شد و آخرین پرواز Concorde نیز در تاریخ ۲۶ نوامبر سال ۲۰۰۳ انجام گرفت. از کنکورد تنها ۲۰ فروند ساخته شد.
