كيف يعمل محرك الطائرة
مقدمة
يعتبر المحرك من الأجزاء الرئيسية في الطائرة، ويعمل لتأمين القوة الدافعة، أي أنه يسحب الهواء ويقوم بدفعه بقوة للخلف وذلك حتى تتقدم الطائرة.
كيف يعمل محرك الطائرة
يعمل محرك الطائرة النفاث على دفع الطائرة للأمام، حيث يطبق القانون نيوتن الثالث الشهير على مبدأ عمل المحرك، والذي ينص على أن لكل قوة فعل قوة رد فعل، مساوية لها في المقدار ومعاكسة لها في الاتجاه.
حيث يكون المحرك مرتبط بإطارات الطائرة بواسطة وصلات، تجعل الطائرة تتحرك بسرعة مسببة اندفاع الطائرة للأمام، ومن المعروف أن الطائرة تحوي على جناحان كبيران حيث يقومان بتخفيف الضغط الكبير الذي ينتج عن وزن الطائرة.
الآن سوف أقوم بتوضيح فكرة عمل محرك الطائرة بشكل أوسع:
أنواع محركات الطائرة وفكرة عملها
محرك الطائرة نوعان، وهما:
المحرك المكبسي
وهو عبارة عن محرك احتراق داخلي، مثل الذي يعمل في السيارات، حيث يقوم هذا المحرك بإدارة مروحة مقدمة الطائرة، أو المراوح الموجودة على الأجنحة، حيث تقوم هذا المراوح بدفع الهواء بقوة إلى الخلف، ومن ثم تتقدم الطائرة إلى الامام.
المحرك التوربيني
يقوم هذا المحرك النفاث بشفط الهواء من المقدمة عن طريق المروحة، ثم يقوم بضغطه، وذلك عن طريق سحبه في سلسلة من مراوح بشفرات صغيرة تكون متمثلة بعمود، ومن ثم يخلط بوقود، ويتم إشعال هذا الخليط من الهواء، والوقود عن طريق شرارة كهربائية مؤدية إلى انفجار هذا الخليط بشدة؛ لتنتشر هذه الغازات المحترقة متجهة نحو التوربين.
ويتألف التوربين من مجموعة مراوح تدور، وعندما تقوم المراوح بالدوران تتحرك المراوح الموجودة بمقدمة الطائرة عن طريق عمود مربوط بالتوربين. وبعد ذلك تتجه الغازات بشكل قوي إلى الخلف عبر فوهات العادم، وهذه القوة المرجعة إلى الخلف تقوم بدفع الطائرة والمحرك النفاث إلى الأمام، ثم يتدفق الهواء عن طريق المحرك، بعض الهواء يدخل إلى المحرك، والبعض الآخر ينتشر حول المحرك؛ وذلك لخفض صوت المحرك، وبعد ذلك يخلط هذا الهواء مع هواء حار، حتى يزيد من قوة الدفع.
أنواع المحركات النفاثة ومبدأ عمل كلاً منها
محرك احتراق داخلي
وفي هذا المحرك تتم عملية خلط الوقود فقط، ولا تتم عملية الاحتراق بالخارج كما هو الحال في محركات أخرى.
محرك توربيني يحوي دفاعة قناتية
وهو من أحد المحركات التور بينية النفاثة، لكنه يحوي دفاعة ذات مرحلة واحدة، أو أكثر تعمل بعدد مراحل توربيني ذات الضغط المنخفض في ممر حلقي، تقوم بدفع الهواء إلى الضاغط ذي الضغط المرتفع، وإلى الممر الحلقي؛ وذلك لتصريف العادم.
وتكون نسبة التخفيف التحويلي في هذا المحرك أكبر من المحرك التوربيني الغازي.
وتم تصميم المدخل في هذا المحرك؛ ليسهل التحكم بشكل مباشر، وحتى تكون لا تتأثر ريش الدفاعة بالسرعة الهوائية للطائرة.
ومن مميزات هذا المحرك: أنه يقوم بتوليد دفع أكبر من أي محرك نفاث أخر عند السرعات الهوائية المنخفضة.
المحرك التربيني التحويلي الغازي
محرك توربيني نفاث، يعتبر ضاغط جيد للضغط المنخفض.
مبدأ عمله: يقوم بنشر ما يخرجه من هواء حول ضاغط الضغط المرتفع، وقد يستخدم هذا الهواء في تشغيل محرك حارق، مما يؤدي إلى تقليل سرعة الغازات الخارجة، ومن ثم تتحسن الكفاية الدسرية،ويخف مستوى ضجيج المحرك في مرحلة الطيران.
المحرك التوربيني المروحي
محرك نفاث، مبدأ عمله: يقوم بشفط الهواء لداخله وتدار المروحة، وينتج عن هذا دفع قليل من المروحة، وآخر من النافورة الخلفية.
ويستخدم هذا المحرك في الطائرات صغيرة الحجم، ويعتبر محرك فعالا عند الارتفاعات المنخفضة، والسرعة العادية التي تبلغ 640 كم/ساعة.
ويزود هذا النوع من المحركات بمراوح قصيرة الطول وكثيرة العدد.
هذا المحرك، تم إدخال تعديلات عليه؛ حتى يصبح أكثر فاعلية في السرعات المرتفعة.
المحرك التوربيني النفاث
حيث يعمل هذا المحرك بشفط الهواء إلى الداخل، ويتألف من: الضاغط، غرف الاحتراق، توربينية غازية تولد دفع بشكل مسبق عن طريق الغازات الساخنة التي تسير عبر المدخل المخروطي العادم، وتخرج من ممر الدسر، ويأخذ الدفع الشكل النافوري، ثم ينشأ دفع مقدم ناتج عن قوة وسرعة إفلات الغازات العادم من مؤخرة الطائرة.
المحرك النبضي النافوري
الذي يقوم بشفط الهواء إلى داخله، ويتألف من: غرفة احتراق يعبر إليها الهواء عن طريق صمامات تفتح وتغلق بتأثير الضغط داخل الغرفة.
ويتكون أيضا من نافورة التي تولد دفع؛ بسبب غازاتها الساخنة المندفعة منها، ويأخذ الاندفاع الشكل النافوري، ويتألف من سلسلة متوالية من النبضات الدفعية.
المحرك التضاغطي النفاث
يتكون هذا المحرك من غرفة احتراق، والماسورة النافورية، ومستنشر.
بعد أن يقوم المحرك بشفط الهواء إلى داخله، يتولد الدفع، من خلال نفث الهواء الساخن خلفا.
هذا النوع من المحركات أدائه غير كافي، إلا إذا تجاوزت سرعة عن 2450 كم/ساعة.
المحرك التوربيني ذو الدفع المتضاد
وهو نوع من المحركات والتي يكون فيها سريان الهواء بداخل التوربينة والضاغط باتجاه متضادين.
المحرك التوربيني الغازي
وهو المحرك الذي يتم فيه تسخين عامل التشغيل بالاحتراق الداخلي، ثم ينتشر خلال مرحلة توربينية.
محرك عمود الإدارة التوربيني
وهو شبيه للمحرك المرحوي التوربيني، لكن هذا المحرك لا يدير المروحة الطائرة، ويستخدم هذا المحرك في طائرات الهليكوبتر، ولكن سرعة المروحة مستقلة تماما عن سرعة المحرك، وهذا الذي يجعل المروحة ثابتة أثناء الطيران ومهما تغيرت سرعة المحرك.
تم إضافة عازل ومُصفى أتربة إلى المحرك عند مدخل الهواء، حتى لا يتسبب بإعاقة المحرك؛ بسبب أن هذه الطائرات تطير على ارتفاعات منخفض.
المحرك التوربيني المركب
وهو عبارة عن محرك غازي تتم فيه عمليات الانضغاط على مراحل عبر عدد من المراحل المرتبة ميكانيكيا، وكل قسم يدير تربينة مستقلة.
المحرك ثنائي القسم
عبارة عن محرك نفاث يتكون من ضاغط محوري ينقسم إلى قسمين، وكل واحد منها يُدار عن طريق توربينية منفصلة.
ومن مميزاته: أنه يعطي مرونة أكبر في التشغيل، ويسمح بالإنضغاط المرتفع.
المحرك الدائري
وهو من أنواع المحركات ذات الاحتراق الداخلي، حيث تكون الأسطوانات موجودة حول العمود المرفقي بشكل دائري.
المحرك المستقيم
وهو أيضا نوع من أنواع محركات ذات الاحتراق الداخلي، لكنه ترددي، يحتوي على صف واحد، أو أكثر من الأسطوانات المتتالية من الأمام إلى الخلف.
المحرك المنكوس
وهو محرك اختراق داخلي، حيث تتواجد الأسطوانات فيه أسفل العمود المرفقي.
بعض التنبيهات الهامة
المقصود باسطوانة اللهب: الجزء الذي على شكل الأسطوانة من غرفة الاحتراق، وفيه تتولد درجات الحرارة المرتفعة.
الاشتعال: وهي عملية بدء الاحتراق في مرحلة تشغيل المحرك، و تنتج بسبب:
الاشتعال الذاتي: وهو الاشتعال الوقود من تلقاء نفسه عندما يدخل دخول الأسطوانة، واختلاطه بالهواء الساخن في محرك الاحتراق الداخلي.
التوربينة: وهي قسم من المحرك النفاث، والذي بداخله تتم إدارة غازات الاحتراق الساخنة صف من الريش المثبتة على في القرص، حتى تتم تشغيل التوربينة لمرحلة واحد أو كثر.
حارق: وهي عبارة عن نبضية ذات ثقب ثابت، أو متحرك؛ وذلك لرش بعض من الوقود السائل في غرفة والقيام بحرقه.
حرارة الانضغاط
وهي الحرارة الناتجة من انضغاط الغازات، و تنتج بسبب:
دفع: وهي القوة الداسرة والتي تولده وحدات القدرة في الطائرة؛ لإحداث حركة في جسم الطائرة، أو لتغيير حركتها، أي أنها القوى الهوائية التي يولدها المحرك النفاث.
كيف يعمل المحرك النفاث
المحرّك النفّاث
إنّ المحرّك النفاث أو محرك مروحة التربو يختلف عن باقي المحرّكات، وطريقة عمله تختلف عن طريقة عمل باقي المحرّكات؛ حيث إنّ المحرك النفاث هو عملية معقّدة نتيجة التفاعل بين جزئين مختلفين.
أقسام المحرك النفاث
قسم النواه (القلب): ووظيفته هي إنتاج القوة اللازمة التي يحتاجها المحرك لإنتاج القوة الدافعة، القوة الدافعة مسؤولة عن عمليّة التوجيه التي تنتج عن تسارع الهواء "كتطبيق لقانون نيوتن الثاني" ومهمة هذه القوة الدافعة هي دفع الطائرة.
مروحة ضخمة: ويبلغ قطرها 275 سم، وتدور بسرعة 2800 دورة في الدقيقة عند إقلاع الطائرة.
هنا يبدأ عمل المحرّك عند مرور الهواء، وسلسلة الهواء كالآتي:
الهواء الذي يمر في المروحة فقط 15 % منه يمر عبر القلب أو النواة الأساسية للمحرّك، أما باقي النسبة تمر خارج القلب الأساسي للمحرك (على سطح القلب الخارجي)، أمّا عن نسبة 15% التي تدخل إلى القلب ستدخل إلى المكون الأول للقلب وهو الضاغط ذو الضغط المنخفض عبر ممرات صغيرة وبعدها يمرّ الهواء بعدة مراحل عبر مجموعة من الشفرات الدوارة، أثناء مرور الهواء في هذه المراحل سوف تزداد سرعته وترتفع درجة حرارته، وبعد ذلك سيمر الهواء بالضاغط ذي الضغط المرتفع المسؤول عن الضغط الكلّي للهواء أو ما يشكل نسبة 70%.
بعد أن يمر الهواء بالضاغطين المرتفع والمنخفض سوف يصبح ضغط الهواء أكثر من الضغط الخارجي بـ 35 مرة ودرجة حرارته أكثر من الخارج بـ 1000 درجة مئوية، بيكون ضغط الهواء في الوضع المناسب بينما سرعته غير مناسبة وأكبر من أن يعمل المحرك بكفاءة، ولذلك سيتم تمريره بشيء دائري الشكل يُسمّى بـ "دفييوزر" أو الناشر؛ حيث يقوم بنشر الهواء على مناطق أوسع، وبالتالي يتم تقليل سرعة الهواء مع بقاء درجة الحرارة والضغط ثابتين، وبعد ذلك يتمّ إدخال الهواء إلى غرفة الاحتراق؛ حيت يتم رفع مستوى طاقتة لدرجة كبيرة بواسطة ما يُسمّى بـ "حاقنات الوقود" ثمّ يتم حرق الخليط المتكون، ويصبح هذا الخليط أسخن بـ 1600 درجة مئوية، ويصبح جاهزاً للمرحلة القادمة.
في هذه المرحلة ينفجر الهواء الخارج من الضاغط فيقوم بتدوير الشفرات بسرعة أكبر من 10 آلاف دورة في الدقيقة؛ حيث إنّ هذه الشفرات مرتبطة بقضيب "شافت" يتوسط المحرك، ويدور الصاغط المرتفع المسؤول عن استخراخ الطاقة اللازمة من الهواء، وبعد ذلك يمرّ الهواء بضاغط الصغط المنخفص الآخر، وهذا الضاغط له مهمتان: أولاً استخراج طاقة كافية من الهواء لتحريك الضاغط المنخفض في المقدمة، وثانياً يقوم بتدوير المروحة العملاقة، ومن ثمّ يخرج الهواء بقوة دافعة بنسبة 20% من القوة الدافعة الكلية.
ما هو وقود الطائرات
وقود الطائرات
وقود الطائرات أو وقود الطائرات التوربينية ATF، وهو نوع من أنواع الوقود الذي يعمل بالطاقة عن طريق محرّكات توربينيّة تعمل بالغاز، وهو عديم اللون ويميل إلى لون القش في مظهره، ويعتبر الوقود الأكثر استخداماً للطيران التجاريّ هو جيت ألف، وجيت A-1، ويتمّ إنتاج هذا الوقود وفقاً لمواصفات دوليّة موحّدة، ويوجد نوع آخر من أنواع الوقود الذي يشيع استخدامه في الطيران المدني لمحرّكات الطاقة التروبينيّة هو جت B، الذي يستخدم لتحسين الأداء في الطقس البارد، ويعتبر وقود الطائرات هو خليط من عدد كبير من المواد الهيدروكربونية المختلفة؛ وتعدّ مجموعة أحجامها أي الأوزان الجزيئيّة أو أرقام الكربون مقيّدة من متطلّبات المنتج.
تاريخ وقود الطائرات
يعتبر البنزبن عالي الأوكتان المعروف باسم avgas هو وقود لمكبس المحرّك في الطائرات التي تعمل بالطاقة، وتمتلك نقطة وميض منخفضة لتحسين خصائص الاشتعال لها، ويمكن للمحرّكات التوربينيّة أن تعمل مع مجموعة واسعة من أنواع الوقود، ومحرّكات الطائرات النفاثة، وعادّة ما يتمّ استخدام الوقود مع ارتفاع نقطة الوميض التي هي أقلّ قابليّة للاشتعال، وبالتالي أكثر أماناً للنقل والتعامل معها، وكان أول محوري ضاغط للمحرك النفاث الذي استخدم على نطاق واسع من خدمات الإنتاج، والقتال كويونكرز JUMO 004، ومسرسكهميت 262A، وأرادو هارون 234B، وغيرهن الكثير التي استخدام وقود الديزل j2، وكان البنزين هو الخيار الثالث، إلّا أنّ هذا الوقود لم يحظ بجذب كبير؛ بسبب استهلاك الوقود المرتفع، ووجد أنواع أخرى من الوقود المستخدمة كالكيروسين وهو وقود معظم الطائرات المستخدمة خلال الحرب العالميّة الثانية، وقامت كلّ من الولايات المتّحدة والبريطانيين بوضع معايير محدّدة لاستخدام الكيروستن، ومع مرور الوقت تم تعديل المواصفات كالحد الأدنى من درجة التجمّد؛ لتحقيق التوازن بين متطلّبات الأداء وتوفير الوقود.
المياه في وقود الطائرات
من المهم جداً أن يكون وقود الطائرات خالية من تلوث المياه، أثناء تحليق الطائرة تنخفض درجة حرارة الوقود في الخزانات؛ وذلك بسبب انخفاض درجات الحرارة في الغلاف الجوي العلويّ، وهذا يسبّب ترسّب المياه الذائبة من الوقود، ثم تصل قطرات الماء إلى قاع الخزان باعتبارها الأكثر كثافة من الوقود، وهذا يؤثر سلباً على الطائرة، وهو ما حدث أيضاً في الخطوط الجويّة البريطانيّة، والذي نجم عنه حادث، وتعتبر إزالة المياه من الوقود غير عمليّة، لذا لم تستخدم سخانات الوقود في الطائرات التجارية لمنع المياه الموجودة في الوقود من التجمد، ويوجد العديد من الطرق للكشف عن المياه في وقود الطائرات كـ visual check التي كشفت عن تركيزات عالية من الماء، وهذا يجعل الوقود ضبابيّة المظهر، ويوجد أيضاً اختبار المادة الكيميائيّة.