نازل های ایروسپایک

در سال 1996، ناسا خود را متعهد ساخت تا یک وسیله ی جدید انقلابی، یعنی X-33 را ایجاد کند. جهت موفقیت، این وسیله نیاز به پیشرفهای قابل توجهی در تکنولوژی پرتاب موشک داشت. نیرو و توانایی موتورهای راکتی ایروسپایک در وفق دادن شرایط کاری مختلف است که سبب افزایش عملکرد مطلوب طراحی میشود، چون یک نازل همگرا- واگرای متغیر در این طراحی مانند یک نازل زنگوله ای بررسی شده است. بعد از سال1950زمانی که مزایای این نازل داشت شناخته می شد، به دلیل فقدان اطلاعات تست پروازی و ملاحظه ی ریسک بالای استفاده از یک طراحی آزمایش نشده، هیچ وقت در یک راکت مورد استفاده قرار نگرفت. البته این ناکارایی به زودی بر طرف خواهد شد و اجازه خواهد داد تا انرژی پتانسیل موتورهای ایروسپایک نمایان شود.

با تصمیم ناسا بر لغو کردن X-33 بعد از اتمام قراردادش با لاکهید مارتین در مارس 2001، نه تنها آینده ی موتورهای ایروسپایک، بلکه آینده ی تمام طرحهای تک مرحله ای تا مدور نامشخص خواهد بود. به هر حال اگرچه X-33 هیچ وقت پرواز نکرد ولی تحقیق هدایت شده توسط ناسا و بخش پیشران راکت بوئینگ جهت گسترش عملکرد کافی موتورهای ایروسپایک و قابلیت اعتماد استفاده در یک وسیله ی پرنده واقعی، نمیتواند دست کم گرفته شود.
زمانی که برتری های مختلف ایروسپایک پیشتر نمایان شده بود، توجه به مشارکت در گزینش ایروسپایک به عنوان پیشرانش اولیه X-33 مسئله ی مهمی است.

برتری ها
نازل کوچکتر : یک اسپایک کوتاه شده، میتواند بسیار کوچکتر از یک نوع نازل زنگوله ای با عملکرد یکسانی باشد. بعلاوه یک اسپایک میتواند کارایی بیشتری نسبت به طولش داشته باشد.

عملکرد فوق الاده : جبران ارتفاع ممکن است سبب عملکرد بیشتری شود.
ریسک کمتر واماندگی : موتور ایروسپایک از یک سیکل ساده ی ژنراتور گاز با فشار محفظه ای کمتری از موتورهای راکتی معمولی استفاده میکند که ریسک انفجار را کاهش میدهد. اگرچه فشارهای کم محفظه باعث کاهش عملکرد است، ضریب انبساط بالای ایروسپایک این ناکارایی را بر طرف میکند.
پسای کمتر وسیله : نازل ایروسپایک قسمتی از انتهای وسیله را پر کرده که سبب کاهش نوعی پسا بنام پسای انتهایی یا پسآیند میشود.

کنترل بردار تراست : از آنجایی محفظه های احتراق میتوانند بطور مجزا کنترل شوند، وسیله می تواند با استفاده از این کنترل تراست مانوری باشد. این نوع کنترل باعث میشود تا نیاز به وسایل کنترل کننده و محرک سنگینی که در تغییر بردار تراست در نازل های متغییر استفاده میشود، بر طرف شود.

وزن کمتر وسیله : اگرچه این نازل متمایل به سنگینی بیشتر از نازلهای زنگوله ای است ولی این نازل با سهیم شدن در بسیاری از عناصر ساختمانی کل وزن وسیله را کاهش میدهد.

اشکالات
خنک کاری : قسمت مخروطی مرکزی این نازل میزان گرمای خیلی بیشتری نسبت به یک نازل زنگوله ای متحمل میشود. این مشکل میتواند با کوتاه شدن (بریدن) مخروط مانند، جهت کاهش مساحت سطح برخورد با جریان و گذراندن سوخت سرد و خنک کننده از میان مخروط مانند، بر طرف شود.

ساخت : نازلهای ایروسپایک دارای پیچیدگی و دشواری ساخت بیشتری از نازل های زنگوله ای هستند. به همین دلیل گران قیمت تر هستند.
آزمایش پروازی : هیچ نازل ایروسپایکی در یک راکت بکار نرفته است. در نتیجه آزمایش طرح های پروازی کوتاه افزایش یافته است.

پیشرانش راکتی

در هر سیستم پیشرانشی، یک سیال موثر توسط سیستم شتاب می گیرد و واکنش این شتاب ایجاد نیرویی در سیستم است. یکی دیگر از سیستم های پیشرانش، موتورهای راکتی هستند که بیشترین کاربرد آنها در موشکهاست. یک نتیجه ی کلی معادله ی تراست نشان میدهد که مقدار تراست تولید شده به جرم جریان میانی و سرعت گازهای خروجی موتور بستگی دارد.
در طول جنگ جهانی دوم و بعد از آن تعدادی هواپیمای موتور راکتی جهت کاوش در سرعت های بسیار بالا ساخته شدند. X-1A که جهت شکست دیوار صوتی به کار رفت و X-15 هواپیماهایی قدرت گرفته از پیشرانش راکتی بودند. در یک موتور راکتی، سوخت و منبع اکسیژن که اکسنده نامیده میشود، بصورت مخلوط شده در یک محفظه ی احتراق میسوزند. احتراق گازهای داغی تولید میکند که از میان یک نازل جهت شتاب به جریان و تولید تراست میگذرد. در یک راکت گاز شتاب گرفته یا سیال کاری، خروجی داغ تولید شده در حین احتراق است. این سیال کاری با آنچه در یک هواپیمای جت (موتور توربینی) یا ملخلی است تفاوت دارد. موتورهای توربینی یا ملخ ران از هوای اتمسفر به عنوان سیال کاری استفاده میکنند. اما راکتها از احتراق گازهای اگزوز استفاده میکنند. در فضای خارج از جو زمین هیچ هوا یا اتمسفری وجود ندارد به همین دلیل توربینها و ملخ ها در این فضا کار نمیکنند. این دلیل توضیح میدهد که چرا راکتها میتوانند در فضا (خارج از جو) کار کنند ولی توربینها و ملخ ها نمیتوانند.
در حالت کلی راکتها به دو دسته ی اصلی تقسیم میشوند: راکتهای سوخت جامد و راکتهای سوخت مایع.
راکتهای سوخت مایع
در یک راکت سوخت مایع، سوخت یا همان اکسید شونده و اکسنده که ذخیره شده هستند به داخل محفظه ی احتراق پمپ میشوند و در آنجا ترکیب شده و می سوزند. نحوه ی محاسبه ی تراست راکتها که در زیر آمده است هر دو نوع راکت را در بر میگیرد. در یک راکت سوخت مایع، عاملهای محرکه، سوخت و اکسنده ، بصورت مایع و جداگانه از هم نگهداری میشوند و بعد به داخل محفظه ی احتراق پمپ میشوند.

در یک راکت سوخت مایع شما میتوانید تراست را با قطع جریان عاملهای محرکه قطع یا کم و زیاد کنید ولی در یک راکت سوخت جامد، برای این کار شما مجبورید که یا موتور را از بین ببرید یا آنرا خراب کنید. راکتهای سوخت مایع به دلیل پمپ ها و مخزنهای عاملهای محرکه، پیچیده تر و سنگین تر و گرانتر هستند و عاملهای محرکه فقط قبل از اجرا یا استفاده روی راکت کار گذاشته میشوند، در حالیکه کاربرد و استفاده ی یک راکت سوخت جامد خیلی راحت تر است و عاملهای محرکه ی آن میتوانند سالها قبل از استفاده و اجرا هم در راکت قرار بگیرند.
قابل توجه است، جزئیات چگونگی مخلوط شدن و سوختن سوخت و اکسنده، بدون خاموشی شعله، بسیار پیچیده است و محاسبه و تحلیل آن کار یک دانشمند است.

راکتهای سوخت جامددر یک راکت سوخت جامد، عاملهای محرکه بصورت مخلوط شده با یکدیگر در یک سیلندر مقاوم بسته قرار گرفتند که یک سوراخ در آن وجود دارد. در شرایط دمایی عادی یا پایین تر، عاملهای محرکه نسوخته و با یکدیگر واکنش نمیدهند. اما به محض اینکه جرقه یا حرارتی مناسب به آنها برسد، آنها با یکدیگر ترکیب شده و میسوزند و در این راکتها اگر احتراق شروع شود تمام عاملهای محرکه سوخته و مصرف خواهند شد.
این راکتها در پرتابه های هوا به هوا و هوا به زمین، راکتهای مدل و به عنوان کمک کننده در پرتابه های ماهواره مورد استفاده قرار میگیرد.
یک جبهه ی شعله، ایجاد شده ی احتراق مخلوط است. احتراق مقدار زیادی گازهای خروجی را در فشار و دمایی بالا تولید میکند. مقدار گازهای خروجی تولید شده به مساحت جبهه ی شعله بستگی دارد و طراحان موتور از مجموعه ی اشکال مختلف سوراخ ها برای کنترل تغییر در تراست در یک موتور خاص استفاده میکنند. گازهای داغ خروجی از میان یک نازل میگذرند که به جریان شتاب میدهد. در این هنگام طبق قانون سوم حرکت نیوتن، تراست تولید میشود.
مقدار تراست تولیدی یک راکت به طرح نازل بستگی دارد. کوچکترین مساحت سطح مقطح نازل گلوگاه نازل نامیده میشود. جریان داغ خروجی در گلوگاه خفه و انسداد میشود، که در نتیجه عدد ماخ در گلوگاه برابر 1 میشود و نسبت جرم جریان یعنی m دات با مساحت گلوگاه معلوم میشود. نسبت مساحت از گلوگاه تا خروجی یعنی Ae، سرعت خروجی Ve و فشار خروجی pe را تعیین میکند. در بعضی از طرح ها فشار خروجی فقط با فشار گازهای آزاد برابر است. بنابراین ما باید از نوع بلندتری از معادله ی تراست تعمیم یافته، جهت توصیف تراست سیستم استفاده کنیم. اگر فشار گازهای آزاد را باp0 نشان دهیم آنگاه معادله ی تراست F خواهد بود:

توجه کنید که در معادله ی تراست، بخاطر عدم تاثیر گذاری هوا در وسیله ی محرک، جرم معین شده ی گازهای آزاد و سرعت گازهای آزاد وجود ندارند. از آنجایی که اکسنده بطور مخلوط در عاملهای محرکه قرار گرفته است، راکتهای سوخت جامد میتوانند در شرایط خلاء  تراست تولید کنند. معادله بالا برای هر دو نوع راکت صدق میکند و علاوه بر آنها یک پارامتر بازدهی نیز وجود دارد که محرک آنی ویژه نامیده میشود و به میزان بالایی آنالیز و تحلیل عملکرد موتورهای راکتی را ساده میکند.

پیشرانش Ram jet

در اوایل دوره ی 1900 میلادی، بعضی از نظرات اولیه درباره ی رمجت ابتدا در اروپا بوجود آمد. رمجت یکی از انواع پیشرانشهای مطلوب جهت پروازهای فراصوتی است. در یک رمجت فشار بالا توسط شکست نیروی هوای بیرونی به داخل محفظه ی احتراق با استفاده از سرعت رو به جلوی وسیله تولید میشود. هوای بیرونی که به درون سیستم پیشرانش آورده میشود به سیال کاری مبدل میشود؛ تقریبا مشابه توربوجت. در یک توربوجت فشار بالای محفظه ی احتراق توسط کمپرسور تولید میشود، اما در رمجت کمپرسوری وجود ندارد. به همین دلیل رمجت ها سبک تر و ساده تر از یک توربوجت هستند. رمجت ها تنها زمانی تراست تولید میکنند که وسیله در حرکت بوده باشد. رمجت ها زمانی که ساکن و ایستا باشند نمیتوانند تراست تولید کنند. از آنجایی که رمجت ها نمی توانند تراست ایستا ایجاد کنند، سیستم پیشرانش دیگری باید تا سرعتی که رمجت شروع به تولید تراست میکند، به وسیله شتاب دهد.

احتراقی که در یک رمجت تولید تراست میکند، زمانی که سرعت در محفظه ی احتراق مادون صوت است رخ میدهد. برای وسایلی که با سرعت فراصوتی حرکت میکنند، سرعت هوای ورودی موتور باید توسط مجرای ورود به زیر صوت کاهش پیدا کند. موج های ارتعاشی ایجاد شده در مجرای ورود باعث کاهش و افت عملکرد برای سیستم پیشرانش میشود. در سرعت های بالای 5 ماخ عملکرد پیشرانش رمجت بسیار نامطلوب و کم بازده است. این مشکل توسط رمجت احتراق فراصوتی یا همان اسکرمجت با اجرای احتراق فراصوتی در محفظه ی احتراق حل شده است.

در تصویر بالا که نمای داخلی یک رمجت را نشان میدهد، در قسمت جلوی موتور سمت چپ، مجرای را مشاهده میکنید که هوای بیرون را به داخل هدایت میکند. در قسمت خروجی مجرای ورود، هوا در فشار خیلی بالاتری از شرایط گازهای آزاد قرار دارد. درست بعد از مجرای ورود سوخت جهت احتراق تزریق و مخلوط می شود. شعله ی حاصل شده توسط حلقه های نگهدارنده ی شعله پایدار میشوند. این قسمت بسیار مشابه قسمت نگهدارنده ی  شعله ی پس سوز موتور هواپیماهای جنگنده است. سپس خروجی داغ از میان نازل که دارای شکلی شتاب دهنده به جریان و تولید کننده ی تراست، است میگذرد.
برای تحلیل عملکرد رمجت، مهندسین، شماره گذاری در طرح برای قسمت های مختلف انتخاب کرده اند. شماره گذاری رمجت مشابه شماره گذاری موتورهای توربینی است اما رمجت دارای کمپرسور و توربین نیست. به همین دلیل برخی از شماره ها در آن حذف شدند.
لازم به ذکر است که امکان طراحی و ساخت رمجت بطور دست ساز وجود دارد.

سیکل کاری و انواع موتورهای توربین گازی جت

بیشتر هواپیماهای مدرن امروزی جهت تولید نیروی تراست لازم برای حرکت، از موتورهای توربین گازی استفاده میکنند.
اصطلاح "Gas Turbine" به عنوان یک واژه ی عمومی برای انواع موتورهای توربینی مورد استفاده قرار میگیرد و در محدوده ی موتورهای جت شامل: توربوجت، توربوفن، توربوپراپ، توربوشفت و کلیه موتورهای توربینی که با مکانیزم جت کار میکنند میشود. از سایر سیستم های پیشرانشی که با شتاب سیال، تراست تولید میکنند ولی توربینی نیستند میتوان به: رمجت، اسکرمجت، پالس جت، پرشرجت، واترجت و موتورهای راکتی اشاره کرد که هر کدام با مکانیزم و اصولی جدا کار میکنند و ساختمانی متفاوت از یکدیگر دارند.

موتورهای توربینی گونه های مختلفی دارند و با وجود اینکه هر یک از آنها متفاوت از دیگری است اما دارای قسمتهای مشترکی هستند. همه ی موتورهای توربینی دارای یک مجرای ورود هوا، یک کمپرسور یا متراکم کننده، یک بخش احتراق، یک توربین و یک مجرای خروجی هستند. همه ی این موتورها با یک اصول اساسی کار میکنند ولی هر کدام از آنها دارای مزایا و اشکالات مجزایی هستند. در بالا شکل بسیار ساده ای از یک موتور توربین گازی مشاهده میشود. همه موتورهای توربینی جت با این قاعده کار میکنند :هوا به داخل لوله مانندی کشیده و فشرده شده، با سوخت مخلوط و سوخته شده با سرعت بالایی خارج میشود.
کلید ساختن یک موتور جتی که کار کند در فشرده سازی هوای ورودی آن است. چنانچه کمپرس صورت نگیرد، مخلوط هوا و سوخت قادر نخواهد بود هیچ ازدیاد حجم و تراستی تولید کند. بیشتر جت ها دارای کمپرسوری هستند شامل پره های گردنده و در قسمتی که کمپرس صورت میگیرد حرکت هوا جهت ایجاد فشار زیاد، کند میشود. این هوای کمپرس شده به داخل محفظه ای که در آن احتراق صورت میگیرد رانده شده و با سوخت مخلوط شده و سوزانده میشود. در حین اینکه گازهای پرفشار در حال خارج شدن هستند از میان توربینی شامل پره های قوس دار زیادی میگذرند. در اینجا گازهای خروجی پره های توربین را به حرکت در می آورند و این توربین نیز از طریق یک شفت (محور) به کمپرسور در قسمت جلوی موتور متصل است و باعث گرداندن پره های کمپرسور میشود. به این طریق گازهای خروجی محفظه ی احتراق، توربین را و توربین نیز کمپرسور را گردانده تا هوای بیشتری گرفته و فشرده شود و موتور به سیکل کاری خود ادامه دهد. کارکرد موتورهای توربینی مداوم است یعنی بدون وقفه کار میکنند و هیچ وقفه ای ندارند.

---

انواع موتورهای جت توربینی

توربوجتتوربوجت اولین و ساده ترین شکل از یک موتور جت جهت تولید تراست است. همانطوری که در تصویر شماتیک آن دیده می شود دارای کمپرسور، محفظه ی احتراق، توربین و سایر قسمت های استاندارد یک موتور توربین گازی میباشد. تفاوت بارزی که بین یک توربوجت و یک موتور توربین گازی ساده وجود دارد در کمپرسور توربوجت است که دارای ضریب تراکم بسیار بالاتری نسبت به یک توربین گاز ساده است. تفاوت اساسی دیگر در توربین آن است که در توربوجت توربین تنها به کمپرسور متصل است و تنها میزان بسیار کمی از قدرت همان توربین جهت سایر موارد فرعی مانند پمپ ها استفاده میشود و در توربوجت پر انرژی بودن گازهای خروجی یک موضوع بسیار مهم و قابل توجه است، در حالی که در یک موتور توربین گازی به غیر از توربینی که به کمپرسور متصل است توربین دیگری نیز جدا از آن در قسمت خروجی محفظه ی احتراق قرار دارد که در واقع به شفت خروجی موتور متصل است و جهت استفاده در مواردی از قبیل تولید برق و سایر موارد مشابه مورد استفاده قرار میگیرد. نکته ی قابل توجهی که در مورد موتورهای توربین گازی وجود دارد این است که از گازهای خروجی آنها هیچ استفاده ای نمیشود به همین جهت سعی میشود که تمام حرارت و انرژی قابل استفاده ی گازهای محترق قبل از خروج جهت بازدهی بیشتر گرفته شود.

نسبت سوخت به هوا در یک توربوجت خیلی کم است. طبق خبرگذاری ناسا، بطور میانگین در یک توبوجت مقدار 100 pounds  هوا در ثانیه با 2 pounds  سوخت در ثانیه ترکیب میشود ولی این نسبت در هر موتوری متفاوت است.

توربوفن
بسیاری از هواپیماهای مسافربری مدرن از موتور های توربوفن استفاده میکنند بخاطر اینکه آنها بازده بیشتری نسبت به سوخت دارند. اگر میزان مصرف سوخت یک توربوجت با تورفن و میزان تراست تولیدی آنها را مقایسه کنید میبینید که توربوفن با همان میزان مصرف سوخت، مقدار تراست خیلی بیشتری تولید میکند. یک موتور توربوفن شکل تغییریافته و پیشرفته ی یک موتور توربین گازی ساده است. همانند سایر موتورهای جت، توربوفن هم دارای هسته ی موتوری توربوجت است. در یک توربوفن مرکز موتور توسط یک لایه شامل یک فن در جلو و توربین اضافی درکنار آن احاطه شده است. فن و توربین فن از تعداد زیادی تیغه همانند کمپرسور و توربین هسته تشکیل شده اند که به یک شفت اضافی متصل اند. شفتی که به فن متصل است از وسط هسته ی شفت مرکزی عبور میکند و به این صورت اگر موتور دارای سه شفت باشد، فن جلویی به درونی ترین شفت و آن نیز به آخرین طبقه ی توربین در انتهای موتور (مرکز) متصل است.

توبوفن ها به دو دسته شامل توربوفن با نسبت گذرگاهی پایین و با نسبت گذرگاهی بالا تقسیم میشوند. دسته ی اول نسبتا کوچکتر هستند و مقداری بیشتر از یک توربوجت، تراست تولید میکنند ولی توربوفن با نسبت گذرگاهی بالا، تراست خیلی بیشتری تولید میکنند و نسبت به سوخت کارآمد تر هستند و صدای کمتری تولید میکنند. اصلی ترین هدف و وظیفه ی فن راندن مقدار زیادی هوا از میان گذرگاه خارجی است که از اطراف هسته ی موتور می گذرد. با اینکه در این گذرگاه جانبی جریان هوا با سرعت خیلی کمتری جریان میابد، ولی حجم بالایی از هوا با این فن شتاب و سرعت میگیرند و این فن، به غیر از تراستی که هسته ی توربوجت دارد،  تراست مهم و عمده ای را بدون سوزاندن هیچ سوخت اضافی تولید میکند. بدینگونه توربوفن نسبت به توربوجت استفاده ی بیشتری از سوخت میکند، در نتیجه بازده آن بیشتر از توربوجت است. در حقیقت موتورهای توربوفن با نسبت گذرگاهی بالا در بازدهی تقریبا با توربوپراپ برابر هستند. به علاوه، هوای کم سرعت باعث لایه گذاری صدای مرکز موتور میشود و موتور را کم صدا تر میکند. فن به دلیل اینکه در میان داکت یا مجرای ورودی قرار گرفته است و از تعداد زیادی پره تشکیل شده است میتواند بطور کارآمد با سرعتی بیشتر از یک ملخ ساده کار کند. به همین دلیل توربوفن ها در نقل و انتقالات پر سرعت به کار میروند ولی ملخ دارها در نقل و انتقالات سرعت پایین بکار میروند. تعداد زیادی از هواپیماهای جنگنده از موتورهای توربوفن با نسبت گذرگاهی پایین مجهز شده به پس سوز استفاده میکنند. آنها میتوانند بطور کارآمد به گشت زنی بپردازند و در جنگهای هوایی نیز، تراست خیلی بالایی دارند.

توربوپراپبسیاری از هواپیماهای ترابری و پر مصرف کوچک از پیشرانش توربوپراپ استفاده میکنند. موتورهای توربوپراپ از هسته ی یک موتور توربین گازی برای گرداندن ملخ استفاده میکنند. موتورهای ملخ دار با حرکت دادن حجم بالایی از هوا و تغییر کمی در سرعت آن، تراست تولید میکنند. این پیشرانشها بسیار کارآمد هستند و از هر نوع نیروی محرکه ای (موتور) برای به گردش در آوردن ملخ میتوانند استفاده کنند.
در پیشرانش توربوپراپ دو قسمت اصلی و برجسته وجود دارند؛ یکی موتور و دیگری ملخ یا پروانه. هسته ی موتور در این نوع پیشرانش بسیار مشابه یک توربوجت ساده است، با این تفاوت که به جای رانش قوی گازهای خروجی به بیرون برای تولید تراست، بیشتر انرژی گازهای خروجی صرف گرداندن توربین میشود. این قسمت در بیشتر موتورها شامل چند طبقه از توربینهای کاملا مجزا است که نیروی آنها از طریق یک شفت دیگر به جعبه دنده و بعد به ملخ انتقال میابد. سرعت گازهای اگزوز در یک توربوپراپ پایین است و تراست کمی تولید میکند، چون بیشتر انرژی گازهای اگزوز صرف به گردش در آوردن توربین میشود. بطور میانگین در یک توربوپراپ، تراست تولیدی توسط هسته ی جت حدود 15% است درحالی که تراست تولیدی توسط ملخ آن مقدار باقیمانده یعنی 85% است.

در تصور توربوفن و توبوپراپ مشابه یکدیگرند، اما توربوفن دقیقا خاصیت یک جت را داراست به این معنا که برای تولید تراست از گازهای خروجی استفاده میکند و همچنانکه در شکل مشاهده میشود یک داکت یا مجرا دارد و قسمت فن دارای نازل نیز میباشد، ولی توربوپراپ فقط از موتور جت استفاده میکند و تولید عمده ی، تراست توسط ملخ انجام میشود. توربوپراپ از بازدهی بالاتری ازسوخت نسبت به توربوفن برخوردار است اما به هر حال صدا و ارتعاش تولیدی توسط ملخ توربوپراپ یک اشکال عمده است و از طرفی توربوپراپ به سرعت ساب سونیک محدود شده است.

توربوشفتتوبوشفت گونه ای از موتورهای جت است که تقریبا تمام بالگرد هایی که امروزه ساخته میشوند، از آن نیرو میگیرند. همانطور که در تصویر مشاهده میشود توربوشفت از بسیاری قسمتهای توربوجت استفاده میکند. یک تفاوت
اساسی بین توربوشفت و سایر موتورهایی که در بالا معرفی شدند این است که توربین تنها به کمپرسور متصل نیست. البته همانند توربوپراپ در اکثر موتورهای توربوشفت چند طبقه از توربینهای مجزا از کمپرسور، وجود دارند که انرژی آنها از طریق شفتی مجزا به جعبه دنده جهت تغییر به گشتاور مناسب انتقال میابد و بعد مورد استفاده قرار میگیرد. بطور نمونه تیغه های روتور بالگرد را میچرخاند. از طرفی بالگردها در ارتفاعی بسیار پایین تر از هواپیماها جایی که گرد وخاک، ماسه و دیگر آشغالهای ریز به راحتی میتوانند به داخل موتور مکیده شوند، کار میکنند. جهت برطرف کردن این مشکل، بیشتر موتورهای توربوشفت به یک دستگاه تجزیه ی ذره ها که جریان ورودی را صاف کرده و قبل از رسیدن آن به کمپرسور، گرد و خاک را بیرون میریزد، مجهزند.

روتور و استاتور

در کل، کمپرسورهای محوری گذشته از جزئیات آنها از دو قسمت بسیار مهم و اساسی تشکیل میشوند که یکی شامل روتورها یا توربینهای گردنده است و دیگری را استاتورها تشکیل میدهند که در دید ظاهری کاملا مشابه روتورها هستند ولی تفاوتهای کاری و محاسباتی دارند. در شکل زیر مجموع کل توربینها و قسمتهای ثابت نشان داده شده است.

همانطوریکه میدانید در کمپرسور محوری حرکت جریان هوا موازی با محور چرخش است. این کمپرسور از تعدادی سطرهای (ردیف های مدور) ایرفویل آبشاری شکل تشکیل شده است. به سطرهایی که به شفت مرکزی متصل هستند و با سرعت بسیار بالایی میچرخند روتور گفته میشود که مجموعه ی توربینهای کمپرسور را در بر میگیرد.

به سطرهای دیگر که ثابت هستند و مانند روتور نمی چرخند استاتور گفته میشود. وظیفه ی استاتور افزایش فشار هوا و جلوگیری از حرکت مارپیچی آن حول محور طولی با یکسوسازی جریان موازی با محور طولی میباشد. شکل بالا فقط روتورها را نشان داده و استاتورهای آن بر روی بدنه کمپرسور نصب شده اند. در پست های پیش تصاویری از آنها را مشاهده کردید ولی در آنجا من آنها را معرفی نکردم. استاتورهای امروزی که در اکثر موتورهای جت مورد استفاده قرار میگیرد استاتورهای متغیر هستند. به این صورت که همه ی پره های استاتور بطور مساوی و موازی با یکدیگر تغییر زاویه داده و میزان کاهش سرعت را تغییر میدهند و با این مکانیزم امکان کاهش سریع دور موتور میسر شده است. در شکل زیر میزان تغییر زاویه را در یک استاتور مشاهده میکنید.

چون در گذشته امکان کاهش سریع دور و تغییر گشتاور در زمان کوتاهی نبود و یک نقطه ضعف برای این موتورها محسوب میشد این مکانیزم ساخته شد. از سمت دیگر عامل مهمتری که باعث ایجاد این مکانیزم شد نیاز به کاهش بیشتر سرعت جریان هوا بود که در سرعتهای بالا به آن نیاز بود. چون در سرعت های بالا که جریان هوا با سرعت وارد موتور میشود باید سرعت آن به قدری پایین بیاید که احتراق پذیر باشد. این مکانیزم این امکان را فراهم میکرد که با تغییر زاویه ی تیغه های استاتور به میزان بیشتری از سرعت هوا کاسته شود. در شکل زیر نمونه ی این مکانیزم مشاهده میشود که دارای بازوهای هیدرولیکی است.

پره های هادی (نازل)Nozzle vanesاین دسته شامل سطرهایی از پره های ثابت مشابه استاتور است که دقیقا قبل از هر چرخ توربین قرار میگیرد و وظیفه ی آن همسوسازی با جهت بخشیدن به جریان هوای محترق محفظه ی احتراق است که باعث افزایش بازده یک موتور به میزان بسیار بالایی میشود بطوریکه امروزه همه ی موتورهای توربینی از آن بهره میبرند. این پره های هادی باعث تعادل توربین های قدرت میشوند و در واقع کنترل جریان محفظه ی احتراق دست آنهاست.

Rotor (توربین)این دسته نیز همان توربینهای قدرت را تشکیل میدهند که به شفت متصل میباشند و بخاطر جذب نیروی جنبشی مولکولها با سرعت بسیار بالایی میچرخند و همراه خود روتور کمپرسور را نیز میچرخانند. در شکل زیر مجموعه ی پره های هادی و روتورهای توربین را مشاهده میکنید.

---

معرفی Airfoilهمانطوریکه قبلا عرض کردم بطور کلی طراحی و ساخت توربین دشوارترین مرحله از مراحل ساخت یک موتور جت است. این مسئله از دو جهت دشوار است، اولی طراحی آن است که نیاز به محاسبات و آزمایشهای پیچیده دارد تا طرح کلی یک توربین مشخص شود و دومی ساخت و تولید توربین است که کاری دشوار، وقت گیر و بسیار پرهزینه است. در این پست فقط یک توضیح کوتاه درباره ی مراحل ساخت مینویسم. در حالت کلی برای ساخت تیغه ی توربین یا کمپرسور ابتدا ماده خام را به یکی از روشهای آهنگری یا ریخته‌گری دقیق به شکل اولیه موردنظر در می‌آورند. بعد برای اینکه قسمتهای مختلف تیغه را به اندازه نهایی برسانند از روشهای مختلف ماشین‌کاری استفاده می‌کنند. دقیق‌ترین قسمت یک تیغه به لحاظ ابعادی، قسمت ریشه آن می‌باشد که معمولاً از روش سنگ‌زنی خزشی برای ماشین‌کاری آن استفاده می‌شود. قابل توجه است که ریشه ی تیغه با توجه به نیروهایی که به آن وارد می‌شود نسبت به بقیه قسمتهای تیغه دارای کیفیت سطح و دقت ابعادی بالایی است. در مورد جنس فلز های مورد استفاده در آینده مطالبی خواهم نوشت. این مطالب در مورد توربینهای چند تکه و مربوط به موتورهای پرقدرت و بزرگ است ولی در موتورهای کوچک که توربین یکپارچه است دیگر خیلی از این مراحل طی نمیشود. یک تیغه یا پره ی توربین از قسمت های مختلفی تشکیل میشود که مشکلترین آن به لحاظ ساخت ریشه و مشکلترین به لحاظ طراحی ایرفویل میباشد. موضوع مورد بحث ما مربوط به ایرفویل میشود.

به مقطع خاصی که با عبور هوا از اطراف آن ایجاد اختلاف فشار در بالا و پایین مقطع مینماید، ایرفویل گفته میشود و نیروی ایجاد شده نیروی آیرودینامیکی خوانده میشود. این شکل یک شکل کشیده ی دراز و باریک به شکل ماهی یا دوک است که جلوی آن گرد و عقب آن با زاویه کمی شکل مخروط می یابد. ایرفویل با مشخصات ذکر شده در مقطع عرضی یک جسم شکل داده شده تعریف و مورد بحث قرار میگیرد. ساده ترین مثال از یک ایرفویل مقطع عرضی یک بال هواپیماست که در شکل زیر قسمت های مختلف آنرا مشاهده میکنید.

خصوصیات ایرفویل گذشته از بال هواپیماها، اهمیت به سزایی در کاربردهای مهندسی و علمی در هواپیماها و کشتی ها، بالگردها، کمپرسورها، توربینها، فنها، پمپها، تونلهای باد کانالهای هیدرولیکی و آسیابها و خیلی کارها و صنایع و وسایل دیگر دارد. بیشتر مسائلی که در مورد ایرفویل با آن برخورد کردید مربوط به بال هواپیما میشود. یک کاربرد مهم و اساسی دیگر ایرفویل درتیغه ی توربین است و مربوط است به موتورهای توربینی و جت که دارای توربین و یا فن هستند. لازم به ذکر است که محاسبات ایرفویلهای توربینها به جهت اندازه ی مورد و شکل پیچیده تر و رفتارهای بیشتر به مراتب پیچیده تر و سخت تر از بال هواپیما میباشد. پیش از ارائه ی فرمولها(در پست بعدی) برخی تعاریف لازمند.
قسمت جلویی ایرفویل که لبه ی حمله (Leading Edge)نامیده میشود و اولین محل تماس با هوا میباشد و از نظر طراحی ظرافت و حساسیت بالایی دارد. قسمت انتهایی که لبه ی فرار (Trailing Edge)نامیده میشود و مانند یک لبه ی تیز است و در انتهای این محل هوای قسمت بالایی و قسمت پایینی به یکدیگر میرسند. روی آن که "سطح زبرین" یا "انحنایی رویی" (Upper Camber)نامیده میشود و زیر آن که "سطح زیرین" یا "انحنای زیرین" (Lower Camber)نامیده میشود. این مقطع، نسبت به یک خط مبنا که "خط وتر" نامیده میشود و لبه ی حمله را به لبه ی فرار متصل میکند تعریف میگردد.

Chord Line
خط مستقیمی که لبه ی حمله را به لبه ی فرار وصل میکند خط وتر نامیده میشود. تعاریف متعددی برای مکان این خط وجود دارد. در ایرفویل های خمیده (قوس دار) که سطح زیرین مقعری دارند، خط مناسب خطی است که بطور مماسی در زیر انحنای زیرین قرار گیرد و در قسمت زیرین لبه ی حمله و لبه ی فرار با آن سطح تماس داشته باشد. تصویر مقطع ایرفویل بر روی این خط، وتر نامیده میشود و طول وتر را با حرف c نشان میدهند. ایرفویل هایی که بیشتر در ملخ ها و فن ها مورد استفاده قرار میگیرند، غالبا از سطح زیرین صاف و تختی برخوردارند و نظر به اینکه قسمت اعظم خط وتر با انحنای زیرین تماس دارد، لبه ی حمله (مدور) تنها قسمتی است که از این خط جداست. در صورتی که مقاطع (ایرفویل) مورد استفاده از نوع متقارن یا کم انحنا باشند خط وتر بصورت خطی تعریف میگردد که مرکز انحنای لبه ی حمله را به مرکز انحنای لبه ی فرار متصل میکند. به محض آنکه خط وتر طرح شود، انحنای فوقانی یا رویی بوسیله ی مختصات انحنایی که در درصد های مختلف ترسیم شده اند، مشخص میشود و انحنای زیرین را ترسیم مختصات زیرین در همان جایگاه مشخص میکند.
Mean Camberخطی است که هر نقطه آن به یک اندازه از مرزهای سطوح زیرین و رویی فاصله دارد و این فاصله ها عمود بر خط مرکزی اندازه گیری میشود. به بیان ساده تر خط میانی خطی است که شکل ایر فویل را به دو قسمت مساوی در جهت طول ایرفویل تقسیم میکند. در اکثر کاربردهای ایرفویل این خط با فاصله ی کمی بر بالای خط وتر انحنا میابد و در تیغه های توربین نیز به میزان بیشتر انحنا میابد.
نسبت وتر/ضخامتحداکثر ضخامت کل بنام t خوانده میشود و نسبت t بر وتر(c) به عنوان نسبت ضخامت بر وتر نامیده میشود و به عنوان درصد % t/c بیان میشود. موقعیت حداکثر ضخامت بسیار مهم است . در جنگنده های سریع امروزی از بال بسیار نازکی همراه با t/c برابر 6% برخوردار هستند. برای وسایل نقلیه ی پرنده ی بزرگ و کم سرعت میزان 20% در این نسبت امری عادی است. برخی از ایرفویل های مکشی حتی نسبت 40% یا 50% را دارا هستند.
انحنای خط مرکزی یا حداکثر انحناء
این مسئله بعنوان حداکثر ارتفاع خط مرکزی بر بالای خط وتر تعریف میگردد که طول وتر آنرا تقسیم میکند. ایرفویل های عادی هواپیما از منحنی های 2% یا 4% برخوردار هستند که عدد نخست اشاره به مقاطع ایرفویل متقارن دارد که در دم ها مورد استفاده قرار میگیرند.بطور کلی هر چه میزان انحناء بیشتر باشد مقدار بیشتری از ایرفویل در بالای خط وتر قرار میگیرد و نیروی برآ ی بیشتری تولید میشود، اما در همین زمان نیروی پسا نیز به تندی بر روی مقطع ایرفویل افزایش میابد.
زاویه ی حملهزاویه ای است بین خط وتر و باد یا جریانی که به ایرفویل برخورد میکند و آنرا با علامت بر حسب درجه یا رادیان مورد استفاده قرار میدهند. توجه کنید که نباید این زاویه را با زاویه ی قرار گرفتن تیغه روی دیسک توربین اشتباه بگیرید. چون زاویه نصب زاویه ای است بین خط طولی موتور و خط وتر ایرفویل.
ادامه مطلب را در پست بعدی دنبال کنید...

---

پاسخ به سوالات شما
آقا مجید پرسیده است:"ببخشید اگه میشه چند تا کتاب مفید رو هم در همین زمینه (موتور جت) معرفی کن."
چون کتابهای تخصصی درباره ی موتورهای جت در سطح دانشگاه میباشد و علاوه بر مشکل بودن ترجمه ی آن قیمت بالایی نیز دارند از معرفی آنها صرف نظر میکنم ولی از کتابهایی که برای شما مناسب هستند دو کتاب انتخاب کردم که هر دو درباره ی میکروجت نوشته اند و قیمت مناسبی نیز دارند ولی در مورد تهیه آنها در ایران شک دارم.
یکی از آنها با عنوان Gas Turbine Engines for Model Aircraft میباشد که مولفان آن Kurt Schreckling و  Keith Thomas هستند و از طریق این لینک در سایت آمازون قابل خریداری است.
دیگری کتابی با عنوان Model Jet Engines است که مولفان این کتاب Thomas Kamps, Keith Thomas هستند و آن طور که من تعریف این کتابها را شنیده ام کتابهای خوبی هستند و محاسبات مربوط به طراحی یک میکروجت در آنها موجود است. این کتاب را نیز میتوانید از طریق این لینک خریداری یا مشاهده کنید.

چنانچه کسی توانست این کتابها را در ایران تهیه کند لطفا اطلاع دهد تا دیگران نیز در صورت تمایل آنها را خریداری کنند. و یا اگر دوستانی در خارج از کشور هستند که بتوانند این کتابها را تهیه کنند بسیار متشکر میشوم که اطلاع دهند تا علاقمندان سفارش خرید این کتابها را به شما بدهند.
آقا فرشاد پرسیده است: "شما جایی رو تو تهران می شناسین که موتور جت یا لوازم مربوط به اون رو بفروشه؟ "
در تهران مکانی برای فروش لوازم موتور جت یا خود آن وجود ندارد. اگر هم مکانی برای سفارش آنها باشد قیمت بسیار بالاست و فکر نمیکنم کسی در ایران برای یک موتور جت کوچک یک میلیون ونیم (حداقل این قدر تا الی ماشاءالله 100 و بالاتر) بپردازد. در واقع اگر بخواهید این قطعات را در ایران تهیه کنید باید ابتدا نقشه ی آن را داشته باشید و سپس بسته به حساسیت آنرا به تراشکار بسپارید یا اگر راحت باشد و به ابزارهای زیادی نیاز نداشته باشد خودتان آنرا بسازید.
دوستمان آقا آرش تعدادی سوال پرسیدند که به آنها میپردازم. "می خواستم بپرسم که سوختی که در موتورهای میکروجت یا پالس جتی که در هواپیمای مدل یا مینی اتوموبیل ها استفاده می شود چیست؟".
بسیاری از موتورهای توربین گازی کوچک از نفت سفید به عنوان سوخت مایع و از پروپان به عنوان سوخت گازی برای گرم کردن و همچنین استارت، قبل از سوخت مایع استفاده میکنند. بعضی موتورها هم متفاوت از آنها هستند؛ مثلا موتور JPX که فقط از سوخت پروپان استفاده میکند. راحت ترین انتخاب برای سوخت گاز پروپان است که نیازی به سوزن انژکتور و پمپ و... ندارد و فقط از طریق یک دریچه کنترل میشود و کار استارت را هم میکند.

"آیا این جتها با قدرت تولیدی خود می توانند هوپیمای مدل حاوی مخزن سوخت را به پرواز در آورند؟".
البته. بیشتر این موتورها به قدری قوی هستند که میتوانند هواپیما را بطور عمودی هم بلند کنند و بعضی دیگر با همان اندازه ی کوچک در هواپیماهای شخصی یک نفره بکار میروند مانند موتور کبرا که با اینکه کمپرسور آن محوری نیست ولی به خاطر طراحی پیشرفته ی آن، قدرت بسیار بالایی دارد.
"وسایل توربو شارژر (کمپرسور گریز از مرکز و توربین و شفت ) را از کجا میتوان تهیه کرد و آیا اطلاعی از قیمت آنها دارید یا نه؟ "
تا آنجایی که من اطلاع دارم میتوانید توربوشارژر را در تهران تهیه کنید ولی آنرا بطور کل به شما میدهند و قطعات را در ایران نمیتوانید به تفکیک بخرید. آن هم چون توربوشارژر آکبند است قیمت بالایی دارد(از 200 تا 900 هزار تومان). اگر کسی خواست که بخرد توصیه من این است که یک دست دوم آنرا از تعمیرگاه های کامیون و باری، پیدا کند(بیشتر از 40 هزار تومان پول ندهید).

"هزینه لازم برای ساخت موتور جتی که شما قصد آموزش ساخت آن را دارید در چه حدی است و همچنین تعداد دور در دقیقه لازم برای استارت موتور میکرو جت وکمی توضیحات بیشتر در خصوص نحوه مونتاژ استارت روی موتور ؟ "
موتور میکروجتی که نحوه ساخت آن به همراه نقشه ها را خواهم داد چیزی بین 250 تا 300 هزار تومان هزینه دارد و این مقدار نسبت به قیمت فروشی همان موتور که یک میلیون و 300 هزار تومان است قیمت بسیار پایین و مناسبی است. همچنین خود نقشه ها نیز گران هستند که من آنها را مجانی در اختیار شما قرار خواهم داد. پس توصیه میکنم اگر میخواهید که یک توربوجت کوچک بسازید از حالا به جمع کردن پول آن همت کنید. اگر هم بخواهید پالس جت بسازید هزینه ی پایین تری را متحمل میشوید.

RPM لازم برای استارت هر موتوری به کمپرسور و توربین آن بستگی دارد و حساسیت استارت نیز در موتورها متفاوت است؛ به این صورت که موتورهای بزرگتر و در واقع جت هواپیما حساسیت بیشتری دارند ولی در میکروجت آنقدر هم حساسیت وجود ندارد و میتوان با یک استارت دور پایین هم این کار را انجام داد. نحوه ی مونتاژ هم بستگی به نوع استارت دارد که فکر میکنم منظور شما الکتریکی است. در استارت الکتریکی باید شفت از قسمت جلوی موتور کمی امتداد پیدا کند و از طریق یک کلاچ کوچک به استارت متصل شود و برای سوار کردن استارت الکتریکی حداقل به سه پایه نیاز است و اتصال به شفت میتواند متفاوت از نوع کلاچ دار هم باشد. در کل برای کاهش هزینه ها و راحتی در ساخت بهتر است (البته برای ما در ایران) که از این نوع استارت استفاده نشود. توجه کنید در صورتی سوخت مایع باشد مجبورید از این استارت استفاده کنید.
آقا محمود پرسیده است: "از قسمت سیستم جرقه و چگونه گی انتقال سوخت و هوا به موتور مرا راهنمایی کنید ایا جرقه باید مداوم باشد؟"
برای جرقه میتوانید از یک شمع پایه کوتاه استفاده کنید و جرقه بعد از شروع احتراق دیگر لازم نیست، گرچه در بعضی موتورها در دور آرام برای جلوگیری از خاموش شدن در زمانهای معینی جرقه زده میشود. حتی من موتوری را دیدم که اصلا شمع نداشت. نحوه ی انتقال سوخت به محفظه ی احتراق از طریق مانیفولد سوخت است که بر روی آن انژکتور ها نصب شده اند و در سوخت گاز ها انژکتور غیر قابل تصور و بسیار ساده است. هوا نیز از لای سوراخ های روی محفظه ی احتراق وارد آن شده و با سوخت مخلوط شده و بلافاصله میسوزد...

---