موتور جت چگونه کار می کند

 

موتورهای جت در هواپیماهای تجاری، فضا پیماها و موشک ها و پرتابه ها به کار می روند. این مقاله توضیح می دهد که این شگفتی های تکنولوژی چگونه کار می کنند.
آیا می دانستید؟
موتورهای جت اغلب به طور انحصاری با هواپیما مشخص می شوند اما رکورد سرعتی خشکی دنیا توسط خودرویی که با جت کار می کند، ثبت شده است.
نیروی جت از زمان های خیلی طولانی برای انسان شناخته شده است اما با پیشرفت های تکنولوژیکی مقدار کمی از آن – یا نسبتاً هیچی از آن - از آن زمان به دست آمده است. اسباب بازی که با نیروی جت کار می کند آیولیپایل نامیده می شود و تاریخ آن به قرن اول میلادی برمی گردد که در یونان یافت شده است اما هیچ کاربرد عملی نداشته است. نیروی جت در حقیقت بعد از اختراع باروت توسط چینی ها و سپس موشک، تحت کنترل درآمد. نیروی جت در این ابزار به طور بسیار خام به خدمت گرفته شده بود و خیلی کارآمد و موثر نبود.
وقتی بشر بر موانع پرواز غلبه کرد، هواپیماهایی که با پروانه کار می کردند باب مد شدند. اما خیلی زود هوانوردان متوجه شدند که این پروانه ها هرگز نمی توانند دیوار صوتی را بشکنند در نتیجه ذاتاً آرام خواهند ماند. این موضوع منجر به تقاضاهای برای روش های جایگزین نیروی محرکه شد.
اولین موتورهای جت کاربردی و عملی که موتورهای توربین گازی نیز نامیده می شوند، در قرن بیستم در انگلستان و آلمان ساخته شدند. فرانک ویتل و هانس وون اوهین، مخترعان موتور جت عنوان می شوند. هر دو موتورهای مشابهی را در حدود سال 1937 ساختند ولی از کار یک دیگر خبر نداشتند. موتور اوهین اولین موتوری بود که واقعاً هواپیما را به راه انداخت؛ نام آن هنکل هی 178 بود. موتورهای جت بعد از جنگ جهانی دوم به خود آمدند که اتفاقاً با کشمکش بین Messerschmitts و Spitfires در جنگ انگلستان که با پروانه نیز کار می کردند، مشخص می شوند. تا دهه ی 1960 تجاری ترین خطوط هوایی، موتورهای جت را بر روی ناوگان خود نصب کردند. انواع مختلفی از موتورهای جت امروزه نیز برای قدرت دادن به فضا پیماها و موشک های بالیستیک به کار می روند.
موتور جت چگونه کار می کند؟
موتورهای جت طبق قانون سوم نیوتن عمل می کنند که به این صورت بیان می شود : هر عملی را عکس العملی است مساوی با آن و در خلاف جهت. این اصل در موتورهای جت برای تولید نیرو و فشار موتور از نیروی محرکه ی جت به کار می رود. آنها با جریان رو به عقب اگزوز جت (عمل) به جلو رانده می شوند (عکس العمل).

طرح اصلی موتور جت
به طور عملی و اجرایی، ترکیب داخلی موتور جت کاملاً شبیه موتور 4 زمانه ی خودروی شما است. موتورهای جت نیز چهار عمل مکش، تراکم، احتراق و خروج گاز را انجام می دهند اما این کارها را در بخش های مختلف موتور انجام می دهند. با استناد به شکل، مرحله ی مکش مسئول مکش مداوم هوای تازه به داخل است. کمپرسور که در بخش باریک تر موتور قرار گرفته است هوا را فشرده و متراکم می کند و آن را چگال تر و گرم تر می سازد. در اتاق احتراق، سوخت به هوای فشرده اضافه می شود و مخلوط سوخت – هوا مشتعل و شعله ور می شود. سپس انفجار حاصل از گرما و گازهای شدیداً فشرده و متراکم، به نازل پیش ران نیرو وارد می کند که این نازل ضروری ترین جزء موتور جت است. نازل پیش ران مسئول تغلیظ و هدایت گازهای اگزوز به جت خطی و قدرتمند است.
این گازهای اگزوز گرم و سریع برای روشن کردن یک سری توربین ها به کار می روند. این توربین ها توسط یک شفت به پنکه های تراکم متصل هستند و اجازه می دهند که هوای تازه به داخل مکیده شود.
موتورهای توربو جت همانند آنچه در تصویر بالا نشان داده شده است، پنکه ی جداگانه و مجزا در جلو ندارند و از تمام هوای موجود برای احتراق استفاده می کنند. ولی از طرفی موتورهای توربو فن یک پنکه ی مجزا در نوک مجموعه دارند.
موتور توربو فن
پنکه به طور فعال به حرکت هوا به داخل کمپرسور شتاب می دهد. این امر مقدار هوای موجود برای احتراق را افزایش می دهد و موتورهای توربو فن را از نظر سوخت مقرون به صرفه تر می سازد. هم چنین موتورهای توربو فن، مجاری را یکی می کنند تا به مقداری هوا اجازه دهند که از گذرگاه و کنار به هسته ی موتور برسد. این امر، موتور توربو فن را قادر می سازد که از نیروی موتور و فشار تولید شده توسط پنکه به طور مستقیم برای پیش رانی استفاده بکند.
بیشتر موتورهای توربو فن پیشرفته و مدرن، ترکیبی از نیرو و فشار تولید شده توسط موتور و نیروی تولید شده توسط خود پنکه را به خدمت می گیرند. ارجحیت بیشتر نیروی موتور جت، هواپیما را سریع تر می سازد. این حالت در هواپیماهای جت نظامی به کار می رود. از طرف دیگر، ارجحیت بیشتر نیروی موتور پنکه باعث می شود که هواپیما یک رزمناو بهتر و از نظر سوخت مقرون به صرفه تر شود. این حالت نیز در هواپیماهای مسافربری تجاری مورد استفاده قرار می گیرد.
• رام جت ها و اسکرام جت ها اشکال ویژه و تخصصی از موتورهای توربو جت هستند. آنها پنکه ای در جلو و یا یک محور مرکزی ندارند که گازهای خروجی برای قدرت دادن به پنکه از آن بهره ببرند. آنها کمپرسور ورودی، اتاق احتراق و نازل دارند. رام جت ها را نمی توان از حالت ایست و توقف مورد استفاده قرار داد چون مکانیزمی برای شروع روند ندارند و فقط در سرعت های مافوق صوت، کارآمد و موثر هستند. آنها در موشک ها و پرتابه ها به کار گرفته می شوند. اسکرام جت ها و یا رام جت های احتراقی مافوق صوت، از رام جت ها گرفته شده اند ولی هنوز در موسسات تحقیقاتی و پژوهشی فضایی و ارتباطات فضایی به عنوان یک حالت مافوق صوت ممکن برای سفر، تحت تحقیق و پژوهش هستند.
• موشک ها از نیروی محرکه ی جت به روش کمی متفاوت از توربو جت ها، توربو فن ها و رام جت ها استفاده می کنند چون با این که موتورهای جت ذکر شده، هوا را به داخل می مکند و از آن در احتراق استفاده می کنند اما موشک ها تمام نیروهای محرکه را درون مخزن خود حمل می کنند و هوای تازه را به داخل نمی مکند. موتورهایی که هوا را به داخل می مکند موتورهای جت مکنده ی هوا نامیده می شوند. با این که ممکن است موشک ها در مقایسه با موتورهای جت دیگر مقرون به صرفه به نظر نرسند اما در سرعت های بالاتر از 5 ماخ شدیداً کارآمد و مقرون به صرفه هستند.
• موتورهای جت به حالت های مختلفی نسبت به موتورهای پیستونی نظیر آن موتورهایی که در هواپیماهای پیش ران با پروانه مورد استفاده قرار می گیرند، برتری دارند. برای شروع و استارت، نیروی محرکه ی جت سرعت بسیار بیشتری از پروانه ی هواپیما را ممکن می سازد. هم چنین موتورهای جت به هنگام نسبت قدرت به وزن آنها مثلاً نسبت قدرت تولید شده توسط موتور نسبت به وزن آن، به طور غیر قابل باوری کارآمد هستند. آن موتورهای پیستونی که بازده توان قابل مقایسه ای تولید می کنند، باید بسیار عظیم و حجیم باشند.
بسیاری از افراد موتور جت را به عنوان بزرگ ترین ابداع پرواز در نظر می گیرند چون به پرواز قدرت می دهد و درک چرایی آن نیز سخت و دشوار نیست.