المحركات النفاثة في الطائرات Jet Engine

المحركات قيد التطوير للتطبيقات عالية السرعة تلغي الحاجة إلى ضاغط يعمل بالطاقة، حيث في المحرك النفاث أو محرك سكرامجت، يتم ضغط الهواء الداخل إلى المحرك بسبب هندسة قسم السحب والضاغط والسرعة الأمامية العالية للطائرة، ونتيجةً لذلك لا تتطلب هذه الأنواع من المحركات ضاغطاً أو توربيناً لقيادتها ولكن المحرك لا يمكن أن يعمل عندما تكون الطائرة ثابتة.

ما هي المحركات النفاثة Jet Engine

المحرك النفاث (Jet Engine): هو محرك رد فعل أي محرك يوفر الدفع أو الدفع بطرد كتلة رد فعل ويعمل وفقاً لقانون نيوتن الثالث للحركة “لكل فعل (قوة) رد فعل مساوٍ ومعاكس ( فرض)”.

خصائص عمل المحركات النفاثة Jet Engine

معظم المحركات النفاثة المستخدمة في الطيران هي محركات تنفس الهواء والتدفق المحوري والتوربينات الغازية، والتوربينات الغازية هي محرك دوار يستخرج الطاقة من تدفق غازات الاحتراق ويُسحب الهواء المحيط إلى مدخل المحرك، حيث يعمل ضاغط محوري أو ضاغط طرد مركزي (أو كليهما) على زيادة ضغط ودرجة حرارة الهواء قبل إدخاله في غرفة الاحتراق.

في غرفة الاحتراق يضاف الوقود إلى الهواء الساخن والمضغوط ويشعل، وبمجرد حدوث الاشتعال يكون مستداماً ذاتياً، حيث يوفر التدفق المستمر للهواء والوقود الاحتراق المستمر وتيار عادم عالي الطاقة (كتلة تفاعل) ينتج عن حرق خليط الوقود / الهواء، كما يترك غرفة الاحتراق تمر عبر واحد أو أكثر من التوربينات التي تعمل على تشغيل الضاغط، ويتم إخراج غاز العادم المتبقي من خلال فوهة توفر قوة دفع لدفع الطائرة إلى الأمام.

يكون المحرك النفاث أكثر فاعلية عندما تقارب سرعة الطائرة التي تدفعها سرعة غاز العادم، وفي كثير من الحالات يتم تصميم الطائرات لسرعات أبطأ بكثير من سرعة عادم الطائرات النفاث النموذجي، لذلك تُستخدم توربينات المحرك أيضًا لتشغيل مكونات أخرى مثل المروحة أو الآلات الأخرى، وبهذه الطريقة يتم تحسين محركات المروحة التوربينية والمحركات التوربينية والعمود التوربيني وفقاً لسرعة ونوع الطائرة التي تعمل بها.

كيفية عمل المحركات النفاثة

تخلق المحركات النفاثة قوة دفع إلى الأمام عن طريق امتصاص كمية كبيرة من الهواء وتفريغها كنفاثة غاز عالية السرعة، والطريقة التي تم تصميمها بها تسمح للطائرات بالتحليق بشكل أسرع وأكثر مقارنة بالطائرات التي يقودها المروحة، ولقد أدى تطويرها وصقلها على مدار الـ (65 عاماً) الماضية إلى جعل السفر الجوي التجاري أكثر عملية ومربحاً، ممّا فتح العالم للمسافرين بغرض الأعمال والترفيه.

يمر تدفق الغاز المشتعل هذا ذو الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية عبر توربين بشكل أساسي مجموعة أخرى من الشفرات، والتي تستخرج الطاقة من الغاز ممّا يقلل الضغط ودرجة الحرارة، بحيث يسحب التوربين الغاز عبر المحرك ويخرج من الخلف عبر فوهة تزيد بشكل ملحوظ السرعة على حساب الضغط وينخفض ​​الضغط بينما تزداد السرعة، كما إنّ قوة طرد الغاز هي التي توفر الدفع لتحريك الطائرة للأمام.

وبصرف النظر عن جانب الضغط أو اشتعال الوقود أو قوة التوربينات للمحرك النفاث، فإنّ الغلاف المحيط به يجعله أيضاً أكثر فعالية من محرك المروحة المكشوف، كما أنّ بدون وجود قذيفة حولها ترى المروحة الهواء قادماً نحوها بأي سرعة تسافر بها الطائرة، وهذا يحد من السرعة التي يمكن أن تدور بها المروحة قبل أن تقل كمية الدفع الناتجة، ممّا يحد من سرعة طيران الطائرة.

نظراً لأنّ الغلاف الموجود على المحرك النفاث يحافظ على تحرك الهواء الداخل إلى المحرك بنفس السرعة تقريباً وبغض النظر عن سرعة الطيران يمكن للطائرة أن تطير بشكل أسرع، وفي هذه الأيام تُعد المحركات النفاثة أكثر تقدمًا من بناء التوربينات الأساسي، بحيث يكون لديهم مراوح ضخمة في المقدمة وبدلاً من إطلاق الغاز من الخلف مباشرةً، يمر عبر توربين ثانٍ يعمل على تشغيل المروحة في المقدمة.

في حين أنّ المحركات النفاثة القديمة تأخذ كمية أقل من الهواء وتسرعه كثيراً، فإنّ المحركات النفاثة الأحدث تستوعب المزيد من الهواء وتسرعه قليلاً، والنتيجة هي أنّ المحرك يستخدم طاقة أقل بكثير وحتى سبعينيات القرن الماضي، كانت الرحلات الجوية عبر المحيط الهادئ تتطلب توقفاً للتزود بالوقود.

كما يتم العمل على جعل المحركات النفاثة أكثر هدوءً وأكثر كفاءة من خلال استكشاف تغييرات التصميم مثل إخراج المحركات من الأجنحة ووضعها بجوار جسم الطائرة، حيث يتم إبطاء جزيئات الهواء بسبب احتكاك ويمكن أن تحتوي المحركات النفاثة في أكبر حجم لها على مراوح يبلغ قطرها أكثر من عشرة أقدام، ولكن يمكن أيضاً أن تكون صغيرة بما يكفي لتناسب راحة يدك، ومن المفيد أنّ توربينات الغاز الضخمة المبنية بنفس مبادئ محركات الطائرات النفاثة تُستخدم أيضاً لتوليد الطاقة في محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي.

مراحل عمل المحركات النفاثة

أولاً: مرحلة الامتصاص Suck

عندما تنظر إلى محرك نفاث، فإنّ أول شيء ستلاحظه هو أنّ المقدمة عبارة عن مروحة عملاقة متعددة الشفرات داخل ما يعرف باسم المدخول (intake)، وتعمل الشفرات تماماً بنفس الطريقة التي تعمل بها الشفرات الموجودة على المروحة أو مروحة المكتب، حيث تمتص الهواء للداخل وتدفعه للخارج من الجانب الآخر بسرعة عالية.

تحتوي المروحة الموجودة في المحرك النفاث على عدد من الشفرات أكثر بكثير من مروحة المكتب على الرغم من ذلك وغالباً ما تكون أكثر من 20، وفي معظم المحركات النفاثة الحديثة يمكن للمروحة وحدها أن تولد ما يصل إلى (90%) من قوة الدفع للمحرك.

ثانياً: مرحلة الضغط Squeeze

بمجرد أن تمتص المروحة الهواء لا يتم دفع بعضها فقط حول المحرك بل يتم توجيهها إلى ما يعرف باسم الضاغط، وفي الداخل يتم دفع الهواء من خلال العديد من الأقراص الدوارة المحملة بشفرات صغيرة على طول أنبوب يصبح أصغر، بحيث يؤدي هذا إلى ضغط الهواء بسرعة ممّا يجعله أكثر كثافة وسخونة وانفجاراً عند إضافة الوقود.

ثالثاً: مرحلة القذف Bang

يضاف الوقود إلى الهواء المضغوط ممّا يخلق مزيجًا شديد التقلب يتطلب شرارة بسيطة للاحتراق، وهذا ما يحدث في غرفة الاحتراق، حيث يتم رش مزيج الوقود أو الهواء وإشعاله ممّا يؤدي إلى توسيع الهواء بسرعة وتوليد قوة الدفع المتبقية للمحرك.

رابعاً: مرحلة النفخ Blow

يولد التمدد السريع للهواء أثناء الاحتراق قدرًا هائلاً من الضغط الذي يحتاج إلى إيجاد مخرج، والمخرج من المحرك النفاث يكون في نهاية أنبوب آخر مليء بأقراص دوارة مليئة بالشفرات، والتي تدور بفعل قوة الغاز المتوسع، وكما يُعرف هذا الجزء باسم التوربين، وبمجرد انتهاء التوربين تترك الغازات المحرك بسرعة عالية وتؤثر بقوة على المحرك في الاتجاه المعاكس، وذلك وفقًا لقانون نيوتن الثالث “لكل فعل رد فعل مساوٍ ومعاكس”.

الجزء المبتكر من المحرك النفاث الحديث هو أنّ مروحة السحب والضاغط وغرفة الاحتراق والتوربين مرتبطة بعمود واحد يعمل على طول الجزء الداخلي من المحرك، لذلك عندما تقوم الغازات المتوسعة بتدوير التوربين الموجود في الخلف، فإنّ ذلك يساعد على تدوير المروحة في المقدمة ممّا يحافظ على استمرار العملية ويولد المزيد من الدفع.