آشنایی با انواع موتور هواپیما ؛ موتور مناسب هر هواپیما کدام است؟

هواپیماها انواع مختلفی دارند که هر یک از آنها برای کاربرد ویژه ای طراحی و ساخته شده اند. هواپیماهای نظامی و غیرنظامی به طور کلی از ۶ مدل موتور استفاده می‌کنند، در ادامه به انواع موتور هواپیما و طرز کارکردشان خواهیم پرداخت.

بیت ران – علی محمدی: به طور کلی ۶ مدل موتور هواپیما وجود دارد که از این تعداد ۵ تا جت هستند و یکی نیز پیستونی است.

هر یک از انواع موتورهای هواگردها دارای مزایا و معایب خود است.

کاربران باید بسته به کاربری هواپیما، موتور مناسب را انتخاب کنند.

در ادامه به معرفی و بررسی موتورها خواهیم پرداخت.

تحقیقات روی موتورهای توربین گازی یا اصطلاحا جت ، تقریبا از سال ۱۹۰۳ آغاز شد.

موتورهای توربین گازی آنقدر قدرت دارند که هواپیما را به جلو برانند.

اولین موتور توربین گازی مخصوص هواپیما، نخست توسط شخصی به نام آگدیوس الینگ طراحی شد که یک مخترع نروژی بود.

از آن زمان به بعد تا پس از جنگ جهانی دوم، موتورهای جت نتوانستند جایگاهی پیدا کنند.

اما امروزه این موتورها استفاده گسترده‌ای در صنعت هوانوردی دارند.

در ادامه انواع موتورها را معرفی خواهیم کرد.

۱. موتور توربوپراپ (Turboprop)

موتور توربوپراپ یک پیشرانه توربین گازی است که شفت مرکزی آن با استفاده از گیربکس (چرخ دنده) به ملخ هواپیما متصل است.

گیربکس هواپیما نیرو را از شفت مرکزی موتور توربین گازی دریافت می‌کند و سپس ملخ را می‌چرخاند.

در این موتورها، پیشرانه توربین گازی، نیروی رانش هواپیما را تولید نمی‌کند، بلکه نیروی لازم برای چرخش ملخ را تولید می‌کند و چرخیدن ملخ است که رانش لازم را به هواپیما می دهد.

موتورهای توربوپراپ مصرف سوخت پایینی دارند.

هواپیماهای مجهز به این نوع موتور می‌توانند با سرعتی بین ۴۶۰ تا ۹۲۰ کیلومتر بر ساعت پرواز کنند.

این هواپیماها از نظر برد نیز در رده متوسط قرار می‌گیرند.

دو مشکل اصلی هواپیماهای توربوپراپ، یکی سرعت محدود این هواپیماها و دیگری احتمال خرابی گیربکس آنها است.

توربین گازی موتور توربوپراپ از محفظه احتراق، توربین و کمپرسور تشکیل شده است.

معمولا قطر پروانه در موتورهای توربوپراپ زیاد نیست.

اما ملخ آنها پره‌های زیادی دارد که این مساله باعث می‌شود پایداری هواپیما در ارتفاع بالا بهتر شود.

اولین هواپیمای توربوپراپ در سال ۱۹۳۸ در بوداپست ساخته شد.

این هواپیما در آگوست سال ۱۹۴۰ تست شد، ولی با شروع جنگ جهانی، توسعه آن متوقف شد.

از مهم‌ترین هواپیماهای توربوپراپ می‌توان به لاکهید هرکولس C-130، آنتونوف ۲۲، ایرباس A400، هواپیمای مسافری ATR-72 و P-3 اوریون اشاره کرد.

۲. موتور توربوجت

مفهوم اولیه موتورهای توربوجت ساده است.

در این موتورها هوا از قسمت جلو وارد کمپرسور می‌شود و سپس سوخت به آن اضافه و مشتعل می‌شود.

سپس مرحله احتراق صورت می‌گیرد و دمای داخل موتور به حدود ۱۰۰۰ درجه می‌رسد.

این هوای داغ، قدرت کافی برای گرداندن توربین و کمپرسور را دارد.

فشار زیاد این هوا سپس از قسمت انتهایی موتور که نازل نام دارد، خارج می‌شود و نیروی رانش بالایی تولید می‌کند.

معمولا یک سیستم با نام پس سوز (Afterburner) نیز در قسمت انتهایی موتور قرار دارد.

این سیستم از انژکتورهای سوخت تشکیل شده است که در بخش انتهایی موتور نصب شد‌ه‌اند.

این انژکتورها سوخت اضافی را به گازهای داغ خروجی از موتور اضافه می‌کنند.

انژکتورها با این کار سبب افزایش نیروی تراست یا همان رانش می‌شوند.

سیستم پس سوز ، بیشتر در هواپیماهای نظامی دیده می‌شود و دلیل اینکه موتور این هواپیماها در مقایسه با هواپیماهای غیر نظامی طول بیشتری دارد، وجود همین سیستم پس سوز است.

البته سیستم پس سوز، مصرف سوخت هواپیما را به شدت افزایش می‌دهد.

به همین دلیل خلبانان جنگی تنها در هنگام تیک آف (بلند شدن)، نبردهای هوایی نزدیک (داگ فایت) و هنگام حرکت با سرعت بیشتر از سرعت صوت، از پس سوز استفاده می‌کنند.

موتورهای توربو جت معمولا در هواپیماهای جنگی استفاده می‌شوند و چندان برای هواپیماهای مسافری مناسب نیستند.

این موتورها مصرف سوخت و صدای زیادی دارند و همین آنها را تبدیل به گزینه‌ای نامطلوب برای هواپیماهای مسافری می‌کند.

در این بین یک استثنا وجود دارد و آن هواپیمای کنکورد است.

قسمت‌های مختلف موتور توربوجت

ورودی هوا

ورودی هوا در جلویی‌ترین قسمت موتور توربوجت قرار دارد.

شاید ورودی هوا یک قطعه ساده و پیش پا افتاده به نظر برسد، ولی این بخش نقش بسیار مهمی در راندمان و کارایی موتور دارد.

نقش ورودی هوا هدایت کردن هوا به سمت پره‌های کمپرسور است.

یک ورودی هوای خوب و بهینه باید طوری طراحی شود که هوای بیشتری را روانه ورودی موتور کند و از هدر رفتن جریان هوا جلوگیری کند.

در سرعت پایین، ورودی هوا باید از هدر رفتن هوا جلوگیری کند و در سرعت‌های خیلی بالا نیز باید از ورود هوای اضافی به موتور جلوگیری کند.

فارغ از اینکه هواپیما با چه سرعتی در حال پرواز است، هوای ورودی به موتور توربوجت همیشه باید سرعتی زیر سرعت صوت داشته باشد.

وظیفه تنظیم سرعت این هوای ورودی، بر عهده ورودی هوا است.

محفظه احتراق

جادوی موتور جت از محفظه احتراق شروع می‌شود.

در این محفظه هوای فشرده با سوخت مخلوط می‌شود.

سپس سوخت و هوای محترق شده به مرحله بعدی یعنی توربین می‌رود.

موتورهای توربوجت معمولا دارای احتراق فقیر هستند، چون برای خنک کردن آنها نیاز است تا مقداری هوای اضافی وارد موتور شود.

برای اطلاع بد نیست بدانید که احتراق فقیر به حالتی گفته می‌شود که نسبت هوا به سوخت زیاد باشد.

این حالت در نقطه مقابل غنی سوزی قرار دارد.

در غنی سوزی، سوخت بیشتر است و نسبت هوا به سوخت کم‌تر می‌شود.

کمپرسور

کار توربین در عقب موتور چرخاندن کمپرسور است.

کمپرسور هوای ورودی به موتور را فشرده می‌کند.

کمپرسور از چند سری فن تشکیل شده است که پره‌های کوچکی دارند.

هوای ورودی به موتور با عبور از هر یک از مراحل کمپرسور فشرده‌تر می‌شود.

اگزوز

مخلوط سوخت و هوا پس از سوخته شدن در محفظه احتراق، از اگزوز موتور خارج می‌شوند.

خروج این هوای داغ از اگزوز موتور جت باعث ایجاد نیروی تراست یا همان رانش می‌شود.

توربین

درون موتور توربوجت یک سری فن‌ قرار دارند که درست مانند یک ژنراتور بادی کار می‌کنند.

نقش این فن‌ها دریافت انرژی از هوای پر فشار عبوری از موتور و انتقال آن به کمپرسور است.

پره‌های توربین نیز به شفت اصلی موتور متصل است و به همین دلیل با چرخیدن آنها، نیروی چرخشی به کمپرسور نیز منتقل می‌شود.

مشاهده می‌کنید که موتورهای توربوجت چه طراحی فوق العاده‌ای دارند.

جت‌های نظامی و هواپیماهایی که سرعتی بالای سرعت صوت دارند، همگی از موتورهای توربوجت استفاده می‌کنند.

از این هواپیماها می‌توان میگ ۲۹، اف ۱۴ تامکت، جنگنده‌های میراژ و … را نام برد.

۳. موتور توربو شفت

موتور توربوشفت یک پیشرانه توربین گازی است که نحوه کار آن به موتور توربوپراپ شباهت زیادی دارد.

اما برخلاف موتور توربوپراپ، موتور توربو شفت، ملخ هواپیما را نمی‌چرخاند، بلکه در عوض نیروی آن به پروانه هلیکوپتر منتقل می‌شود.

موتورهای توربوشفت طوری طراحی می‌شوند که سرعت مشخصی را برای پروانه هلیکوپتر فراهم کنند.

یعنی اگر دور موتور نیز کاهش پیدا کند، سرعت چرخش پروانه هلیکوپتر می‌تواند ثابت باقی بماند.

موتورهای توربوشفت در هلیکوپترها کاربرد دارند.

تفاوت اصلی موتور توربوشفت با توربوجت در این است که موتور توربوشفت، به جای تولید نیروی رانشی زیاد، گشتاور بیشتری تولید می‌کند تا به پروانه انتقال دهد.

شفت مرکزی این موتورها معمولا بزرگ و ضخیم است.

این شفت به گیربکس هلیکوپتر متصل می‌شود.

بیشتر قطعات موتور توربوشفت مانند موتور توربوجت هستند.

نیروی این موتور پس از انتقال به گیربکس به سمت روتور یا همان پروانه هلیکوپتر هدایت می‌شود.

موتورهای توربوشفت سایز کوچک‌تری در مقایسه با موتورهای پیستونی دارند، ولی قدرت آنها بالاتر است.

یکی از نکات منفی در مورد موتورهای توربوشفت پیچیدگی گیربکس آنها است.

پیچیدگی بالای گیربکس باعث می‌شود تا احتمال خرابی آن نیز بالا باشد.

در موتور توربوشفت نیروی حاصل از احتراق گازها درون موتور توربین گازی به نیروی گشتاور چرخشی منتقل می‌شود.

معمولا گیربکس این موتورها دور خروجی پایین‌تر از دور ورودی دارد.

۴. موتور توربوفن

موتورهای توربوفن، نوعی از موتورهای جت هستند که یک فن بزرگ در قسمت جلوی آنها قرار دارد.

در موتورهای توربوفن، بیشتر هوای ورودی از فن رد می‌شود.

وجود این فن باعث می‌شود هواپیما نیروی رانش بالایی در سرعت‌های پایین داشته باشد.

مزیت دیگر موتورهای توربوفن صدای کم‌تر آنها در مقایسه با توربوجت‌ها است.

همین مساله باعث شده است تا موتور توربوفن گزینه‌ای عالی برای هواپیماهای مسافری باشد.

در موتور توربوفن بخش کمی از هوای ورودی به محفظه احتراق وارد می‌شود.

در این موتورها، بیشتر هوا از لایه بیرونی و از قسمت فن عبور می‌کند.

یکی از مزایای مهم موتورهای توربوفن این است که می‌توانند با مصرف سوختی کم‌تر از موتور توربوجت، رانش بالاتری تولید کنند.

در تصویر زیر به خوبی می‌توانید موتور توربوفن و تفاوت آن با موتور توربوجت را مشاهده کنید.

موتورهای توربوفن؛ ترکیب توربوجت و توربوپراب

به بیان دیگر موتور توربوفن را باید تلفیقی از موتور توربوجت و موتور توربوپراپ دانست.

طرز کار این موتور با موتور توربوجت یکی است، ولی مانند تربوپراپ‌ها از یک فن در جلو نیز استفاده می‌کند.

هوای ورودی به موتور توربوجت دارای دو بخش است.

یک بخش آن به قسمت مرکزی موتور یعنی جایی که محفظه احتراق قرار دارد، وارد می‌شود و بخش دیگر از قسمت بیرونی عبور می‌کند و دیگر با سوخت تماسی ندارد.

همانطور که اشاره کردیم موتورهای توربوفن مصرف سوخت کم‌تر و صدای کم‌تری از موتورهای توربوجت دارند.

با این وجود این موتورها دارای ایراداتی هم هستند.

موتورهای توربوفن در سرعت‌های خیلی بالا، راندمان پایینی دارند.

به همین دلیل معمولا سرعت پرواز هواپیماهایی که از موتور توربوفن استفاده می کنند، از سرعت صوت عبور نمی‌کند.

همچنین این موتورها به دلیل سایز بزرگ‌تر، دارای وزن بیشتری از یک موتور توربوجت هستند.

جالب است بدانید هوای خروجی از قسمت مرکزی پیشرانه توربوفن، کم‌تر از ۲۵ درصد رانش این موتورها را تشکیل می‌دهد.

بیش از ۷۵ درصد نیروی رانش، توسط قسمت فن تولید می‌شود.

از هواپیماهایی که به موتور توربوفن مجهز هستند، می‌توان هواپیماهای ایرباس و بوئینگ، هواپیمای نظامی C-5، هواپیمای ترابری آنتونوف ۱۲۴ روسلان و جت‌های تجاری مانند گلف استریم را نام برد.

۵. موتور رم جت

موتورهای رم جت ساده‌ترین و سبک وزن‌ترین انواع موتور جت هستند.

در یک موتور رم جت هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد.

طرز کار موتور رم جت دقیقا مانند موتور توربوجت است، با این تفاوت که دیگر خبری از قطعات متحرک و پره‌ها نیست.

در این موتورها، هوای ورودی توسط سرعت هواپیما تامین می‌شود و دیگر کمپرسوری وجود ندارد.

با توجه به اینکه در موتور رم جت، ضریب تراکم هوای ورودی به موتور، به سرعت هواپیما وابسته است، عملکرد این موتورها تا حدودی محدودیت دارند.

همچنین برخلاف دیگر موتورهای جت، موتور رم جت نمی‌تواند روی زمین کار کند و هواپیما را به حرکت در آورد.

در حقیقت در سرعت زیر صوت، رانش موتور رم جت خیلی محدود است.

به همین دلیل برای شروع حرکت هواگردهای مجهز به موتور رم جت، باید از بوسترهای راکتی استفاده شود.

به دلیل محدودیت‌هایی که گفته شد، موتور رم جت در هواپیماها کاربرد چندانی ندارد و بیشتر مناسب موشک‌های هدایت شونده است.

برای مثال، بسیاری از موشک‌های کروز از موتور رم جت استفاده می‌کنند.

البته هواپیماهای رادیو کنترلی مدل نیز وجود دارند که به موتور رم جت مجهز هستند.

اساس کار موتورهای رم‌جت بر پایه پدیده‌ای بنام Ram Effect است که در حقیقت همان فشرده شدن و تراکم خود به خود هوا در اثر حرکت یک وسیله با سرعت بسیار زیاد است.

این پدیده از سرعت‌های ۵۰۰ کیلومتر بر ساعت به بالا خود را نشان می‌دهد و تا سرعت صوت و حتی سرعت‌های بالاتر از ۳ ماخ به حداکثر بازدهی خود نمی‌رسد.

به همین دلیل است که در چنین سرعتی فشرده شدن هوا تا اندازه‌ای است که تراکم لازم برای عملکرد کامل موتور احتراق به وجود می‌آید و عملا دیگر نیازی به کمپرسور موتور و در پی آن توربین برای چرخاندن کمپرسور نخواهد بود.

از آنجایی که احتراق موتور در سرعت مافوق صوت مانند روشن کردن یک کبریت در گرباد است، برای ایجاد احتراق در موتورهای رمجت، قسمتی در ابتدای موتور به شکل یک شیء مخروطی با نام دفیوزر تعبیه شده است که وظیفه دارد با تولید امواج ضربه‌ای، سرعت هوای ورودی به موتور را به زیر سرعت صوت برساند.

در اینجا مجددا پدیده رم افکت بروز پیدا کرده و انرژی جنبشی هوا تبدیل به فشار و حرارت بالا میشود که این فشار و حرارت تراکم لازم برای احتراق را فراهم می‌آورد.

پس از این مرحله و ورود هوای فشرده به محفظه احتراق و ترکیب با سوخت و جرقه شمع، احتراق صورت می‌گیرد و در مرحله بعد وارد قسمت بسیار مهمی در موتورهای رم جت با نام Flame Holder یا شعله نگهدار می‌شود که وظیفه مدیریت شعله های خروجی حاصل از احتراق را بر عهده دارد و در نهایت با خروج گازهای خروجی از قسمت انتهایی موتور، نیروی پیشران حاصل می‌شود.

۶.اسکرم جت

همانگونه که ذکر شد، موتورهای رم جت برای انجام عملیات احتراق نیازمند آن هستند تا سرعت هوای ورودی به زیر سرعت صوت تقلیل پیدا کند، اما گونه دیگری از این موتورها با نام Scramjet یا Supersonic Coumbustion RamJet وجود دارد که قابلیت انجام عمل احتراق در این موتورها در سرعت‌های بالاتر از صوت فراهم است.

دلیل این قابلیت استفاده از سوخت هیدروژن در این موتورها به دلیل دمای بالای کارکرد است که آن را قادر به کار کردن در سرعت‌های هایپرسونیک (بالای ۵ ماخ) می‌سازد.

از جمله پرنده‌هایی که از این نمونه موتور استفاده می‌کنند، هواپیمای بدون سرنشین و تحقیقاتی ناسا تحت عنوان X-۴۳ است که در پروازهای آزمایشی خود توانسته به سرعت۱۰  ماخ نیز دست پیدا کند.

۷. موتور پیستونی

در هواپیماهای قدیمی مانند زمان جنگ جهانی، از موتورهای پیستونی در هواپیماها استفاده می‌شد.

موتورهای پیستونی درست مانند موتورهای مورد استفاده در خودروها هستند.

با این وجود، با آمدن موتورهای جت و افزایش سرعت هواپیماها، موتورهای پیستونی کم کم کنار گذاشته شدند و جای خود را به موتورهای توربوفن دادند.

اما هنوز هم در هواپیماهای کوچک و ارزان، از موتور پیستونی استفاده می‌شود.

برای نمونه خیلی از هواپیماهای سسنا یا دایموند از موتور پیستونی استفاده می‌کنند.

موتورهای پیستونی هواپیماها با موتورهای خودرو چند تفاوت عمده دارند.

اولین تفاوت وزن این موتورها است.

موتور اتومبیل برای استفاده در یک هواپیما، زیادی سنگین است.

ولی موتورهای پیستونی، در هواپیماها، از موادی ساخته می‌شوند که سبک وزن باشند.

همچنین موتور پیستونی هواپیما، دور موتور کم‌تری در مقایسه با موتور خودروها دارد.

برای نمونه، برخلاف پیشرانه خودروها، پیشرانه پیستونی هواپیماها نمی تواند تا ۶ هزار یا ۸ هزار دور بر دقیقه دور بگیرد.

موتور پیستونی در هواپیماها می‌تواند V شکل، تخت (باکسر)، رادیال یا روتاری باشد.

اما امروزه بیشتر موتورهای تخت طرفدار دارند.

شرکت‌های سیروس، دایموند، سسنا و بیچ کرفت از شرکت‌هایی هستند که هواپیماهای پیستونی تولید می‌کنند.

بیشتر بخوانید:

سوخو S-70 اوخوتنیک ؛ اولین هواپیما بدون سرنشین روس‌ها

مشکل نشانگر سوخت بوئینگ ۷۷۷ + فرآیند سوختگیری

موشک فالکن ۹ ، معجزه فضایی ایلان ماسک

منبع: aircraftcompare