أنواع المحركات التوربينية والمروحية في الطائرة

لقد قطع الطيران شوطاً طويلاً منذ أن قام الأخوان رايت بأول رحلة قصيرة على بعد أربعة أميال شمال كيتي هوك بولاية نورث كارولينا، وكان التطور الهائل في مجال الطيران مدفوعاً لشكل كبير بالابتكار التقني الرائع في محرك الطائرة.

أساسيات المحركات في الطائرات

في العقود الأخيرة تنوعت الطائرات ومحركات الطائرات بشكل كبير باستخدام مجموعة واسعة من هياكل الطائرات والأنظمة الميكانيكية وبالطبع المحركات، وبالنسبة للشخص العادي يمكن أن تكون هذه المجموعة الواسعة من المكونات مخيفة للغاية.

الطائرات ذات المحرك الواحد مقابل الطائرات متعددة المحركات

كل من الطائرات ذات المحرك الواحد والطائرات متعددة المحركات لها مزاياها وعيوبها المميزة والفريدة من نوعها، فالطائرات ذات المحرك الواحد عادة ما تكون أقل تكلفة للشراء ولها تكاليف تشغيل أقل، ومع ذلك هناك بعض الطائرات ذات المحرك الواحد، والتي تستخدم محركات عالية الأداء توفر خصائص طيران رائعة وسرعات تشغيل أعلى، ومع ذلك من حيث الأداء من الصعب التغلب على الطائرات متعددة المحركات والتي تسمح عمومًا للطيارين بالتسارع بسرعة أكبر وتحقيق سرعات أعلى بشكل عام.

كما تتمثل المزايا الرئيسية للطائرات متعددة المحركات في زيادة السلامة وراحة البال، حيث مع تكرار المحرك الثاني يمكن للطيارين في كثير من الأحيان التنقل، وإلى موقع هبوط طارئ آمن حتى في حالة فشل أحد المحركات تماماً، وعلاوةً على ذلك تميل الطائرات متعددة المحركات أيضاً إلى أن تأتي بمولدات تشغيل متعددة ومكونات احتياطية أخرى، والتي توفر تدابير أمان إضافية في حالة حدوث عطل.

بفضل فيزياء الدفع غير المتماثل من المرجح أن تشارك الطائرات متعددة المحركات في حوادث فقدان السيطرة، ويمثل الدفع غير المتماثل مشكلة بشكل خاص عندما يفشل المحرك بعد الإقلاع مباشرة عندما تتحرك الطائرة على ارتفاع منخفض وتؤدي إلى إنتاج طاقة عالية، بحيث تشمل العيوب المحتملة الأخرى للطائرات متعددة المحركات قيود الرؤية وأنظمة الوقود المعقدة في كثير من الأحيان.

وعلى الرغم من أنّ المكونات الاحتياطية المختلفة للطائرات متعددة المحركات توفر الأمان من خلال التكرار، فإنّ العديد من الطائرات الحديثة ذات المحرك الواحد تتميز بميزات، مثل المولدات الاحتياطية وإلكترونيات الطيران ذات الألواح الزجاجية والتي تعزز السلامة الاستثنائية.

المحركات المروحية Propeller Engines

لمدة (40 عاماً) بعد رحلة الأخوين رايت الأولى اعتمدت الطائرات على محركات (Internal combustion engines) التي تتحكم بالمراوح المرفقة بهدف توليد قوة الدفع، كما أنّ غالبية الطائرات العامة والطائرات الخاصة لا تزال تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي والمراوح، وتعمل محركات مكبس الطائرات مثل محرك السيارات الشائع.

تأخذ هذه المحركات الهواء من البيئة المحيطة وتخلطه بالوقود وتعمل عن طريق حرق هذا الوقود لإنتاج عادم غاز ساخن يحرك مكبساً متصلاً بالعمود المرفقي، بينما تستخدم مجموعة نقل الحركة العمود المرفقي لإدارة عجلات السيارة، فإنّ العمود المرفقي للطائرة متصل مباشرة بواحد أو أكثر من المراوح، وهناك بعض الاختلافات بين محركات الطائرات ومحركات السيارات، بحيث تستخدم محركات الطائرات أنواعاً مختلفة من أنظمة الإشعال وأنظمة التشحيم وكذلك أنظمة لمنع تراكم الجليد عند مدخل الهواء.

على الرغم من أنّ محركات المروحة المكبسية تأتي في مجموعة واسعة من الأحجام، إلّا أنّ غالبية الطائرات الأكبر لديها الآن شكل من أشكال المحركات التوربينية، ومع ذلك يمكن للطائرات الأصغر أن تحلق في الهواء تحت قوة محركات الاحتراق الداخلي المكبسية الأصغر، وهناك عدد كبير من المراوح المستخدمة في الطائرات اليوم، ومن أنواع المراوح:

• المروحة الثابتة (Fixed-Pitch).

• المروحة الأرضية القابلة للتعديل (Ground-Adjustable Propeller).

• مراوح يمكن التحكم بها (Controllable-Pitch Propellers).

• مراوح ثابتة السرعة (Constant-Speed Propellers).

• مراوح الريش (Feathering Propellers).

• مراوح عكس الاتجاه (Reverse-Pitch Propellers).

محركات التوربينات Turbine Engines

تعمل المحركات التوربينية مثل المحركات المكبسية التقليدية من خلال الجمع بين الهواء والوقود من أجل الاحتراق بالدفع، ومع ذلك فإنّ التوربينات الغازية للمحركات التوربينية توفر احتراقاً مستمراً لتشغيل ضاغط يرفع ضغط الهواء إلى درجات قصوى لتوفير طاقة استثنائية، كما يتم تحديدها من خلال المسار الذي يسلكه الهواء من خلال المحرك والطرق التي يتم بها إنتاج حركة الطائرات، وتقع المحركات التوربينية في إحدى الفئات الأربع التالية:

1- محرك Turboprop

هذا النوع من المحركات التوربينية يتصل مباشرة بنظام التروس الذي يدير المروحة بنفس الطريقة التي يعمل بها محرك المكبس التقليدي، كما يبطئ صندوق التروس الخاص بالطائرة المروحية التوربينية عمودها الدوار من أجل قيادة المروحة بشكل صحيح.

2- محرك Turbojet

تم تطويره لأول مرة بواسطة علماء الطيران الألمان والبريطانيين في الفترة التي سبقت الحرب العالمية الثانية، حيث يتحرك المحرك التوربيني النفاث عبر الهواء بدفع تيارات الغاز القوية التي يولدها وعلى الرغم من قوتها الفائقة، إلّا أنّ المحرك التوربيني النفاث يتطلب تقليدياً كميات هائلة من الوقود، وهناك ثلاثة مكونات يتكون منها هذا المحرك هي ضاغط يضغط الهواء وغرفة احتراق، حيث يتم حرق الوقود وتوربين يساعد بدوره في قيادة الضاغط.

كما أنّ المحرك (Turbojet) في حد ذاته هو النوع الأساسي للمحرك النفاث، وفي مثل هذا الإعداد يتم ضغط الهواء، والمأخوذ من الفتحة الموجودة في مقدمة المحرك إلى حوالي 3 إلى 12 ضعف ضغطه الأصلي في الضاغط، ثم يتم حرق هذا الهواء مع الوقود في غرفة الاحتراق لرفع درجة حرارة خليط السوائل إلى حوالي (600 درجة مئوية) إلى (700 درجة مئوية)، ثم يتم تمرير الهواء الساخن الناتج عبر توربين يقوم بدوره بتشغيل الضاغط.

3- محرك عمود الدوران التوربيني Turboshaft Engine

يُعد محرك عمود الدوران التوربيني الأكثر استخداماً في تشغيل طائرات الهليكوبتر ويشبه محرك الطائرات ذات العمود التوربيني إلى حد كبير محرك المروحية التوربينية، باستثناء أنّه مصمم لتحويل ناقل الحركة الذي يرتبط بدوره بنظام دوار المروحيات.

4- محرك توربوفان Turbofan Engine

باستخدام مراوح ضخمة لتسهيل دخول الهواء تم تصميم المحرك النفاث المروحي لتجمع بين أفضل ميزات المحرك التوربيني والمحرك النفاث، بحيث تشمل مزايا هذا النوع من المحركات إنتاج دفع كبير بسرعات منخفضة وتشغيل هادئ نسبياً، ولهذه الأسباب من بين أمور أخرى تعمل المحركات المروحية على تشغيل الغالبية العظمى من الطائرات التجارية الحديثة.

على عكس المحرك التوربيني النفاث الذي يسحب كل الهواء داخل المحرك، فإنّ المحرك التوربيني المروحي مزود بمروحة كبيرة في المقدمة، تعمل على امتصاص معظم تدفق الهواء حول الجزء الخارجي من المحرك وهذا يجعل المحرك أكثر هدوء وأكثر قوة في السرعات المنخفضة، كما يتم تشغيل غالبية الطائرات بواسطة هذا المحرك.

يدخل جزء صغير من الهواء إلى المحرك ويمر الباقي عبر مكثف منخفض الضغط ثم يخرج هذا الهواء على شكل نفاثة باردة ثم يتم خلطها مع مولد الغاز لإنتاج نفاثة ساخنة.