تتطلب الطائرات دفعًا لإنتاج سرعة كافية للأجنحة لتوفير قوة رفع للأعلى أو قوة دفع للأمام، والتي تكفي لتطغى على وزن الطائرة للإقلاع العمودي ولكي تظل الطائرة في المستوى الذي تطير به الطائرة، يجب توفير قوة دفع تساوي في الاتجاه المعاكس لسحب الطائرة، كما يتم توفير هذا الدفع أو القوة الدافعة، بواسطة نوع مناسب من المحركات الحرارية للطائرة، حيث تشترك جميع المحركات الحرارية في القدرة على تغيير الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية عن طريق تدفق بعض من كتلة المائع، الهواء بشكل عام عبر المحرك في جميع الحالات، يتم إطلاق الطاقة الحرارية عند نقطة في الدورة يكون فيها ضغط العمل مرتفعًا بالنسبة للضغط الجوي.
المتطلبات الرئيسية لمحركات الطائرة
القوة الدافعة
يتم الحصول على القوة الدافعة من خلال إزاحة المائع العمل مرة أخرى، أي الهواء الجوي هذا الهواء ليس بالضرورة نفس الهواء المستخدم داخل المحرك، ومن خلال إزاحة الهواء في اتجاه معاكس للاتجاه الذي يتم دفع الطائرة فيه، يمكن تطوير الدفع، يعتبر هذا تطبيق لقانون نيوتن الثالث للحركة.
ينص على أنه لكل فعل رد فعل مساو له ومعاكس له، لذلك عندما يتم إزاحة الهواء إلى الجزء الخلفي من الطائرة، يتم تحريك الطائرة للأمام وفقًا لهذا المبدأ، كما أن أحد التفسيرات الخاطئة لهذا المبدأ، هو أن الهواء يدفع ضد الهواء خلف الطائرة، مما يجعله يتحرك للأمام، ولكن هذا الأمر لا يحدث، حيث أن الصواريخ في الفضاء ليس لديها هواء تدفعه ضده، ومع ذلك يمكن أن تنتج قوة دفع باستخدام قانون نيوتن الثالث.
الهواء الجوي هو المائع الرئيسي المستخدم للدفع في كل نوع من أنواع المحركات للطائرات باستثناء الصاروخ، حيث يتم تسريع غازات الاحتراق الكلي وإزاحتها، ويجب أن يوفر الصاروخ كل الوقود والأكسجين للاحتراق، ولا يعتمد على هواء الغلاف الجوي، كما يحمل الصاروخ مادة مؤكسدة خاصة به بدلاً من استخدام الهواء المحيط للاحتراق ويقوم بتصريف المنتجات الثانوية الغازية للاحتراق من خلال فوهة العادم بسرعة عالية للغاية، أي الحركة ويتم دفعها في الاتجاه الآخر، أي التفاعل.
المراوح
تعمل مراوح الطائرات التي تعمل بمحركات ترددية أو توربينية على تسريع كمية كبيرة من الهواء بسرعة أقل نسبيًا عن طريق تدوير المروحة، كما يمكن توليد نفس القدر من الدفع عن طريق تسريع كتلة صغيرة من الهواء إلى سرعة عالية جدًا، أما مائع العمل (الهواء) المستخدم لقوة الدفع هو كمية هواء مختلفة عن تلك المستخدمة داخل المحرك؛ لإنتاج الطاقة الميكانيكية اللازمة لدوران المروحة.
المحركات التوربينية والنفاثة والنفاثات النفاثة عبارة عن أمثلة على المحركات التي تسرع كمية أقل من الهواء من خلال تغيير السرعة الكبير، يتم استخدام نفس سائل العمل لقوة الدفع المستخدمة داخل المحرك، وتتمثل إحدى مشكلات هذه الأنواع من المحركات في الضوضاء الصادرة عن الهواء عالي السرعة الخارج من المحرك، كما تم استخدام مصطلح (turbojet) لوصف أي محرك توربيني غازي ولكن مع وجود اختلافات في التوربينات الغازية المستعملة في الطائرات، يستخدم هذا المصطلح لوصف نوع من التوربينات الغازية التي تعبر جميع الغازات عبر قلب المحرك مباشرة.
المحركات التوربينية والمحركات النفاثة
تستخدم طائرات الطيران العامة الصغيرة في الغالب محركات مكبسية متعاكسة أفقيًا، بينما لا تزال بعض الطائرات تستخدم محركات مكبسية شعاعية، إلا أن استخدامها محدود للغاية تستعمل العديد من الطائرات شكلاً من أشكال المحركات التوربينية الغازية لإنتاج قوة الدفع، هذه المحركات عادة ما تكون هي المحرك التوربيني والعمود التوربيني والمحركات المروحية وعدد قليل من المحركات النفاثة (Turbojet) هو المصطلح السابق لأي محرك توربيني، الآن بما أن هناك العديد من الأنواع المختلفة من المحركات التوربينية، فإن المصطلح المستخدم لوصف معظم المحركات التوربينية هو محرك توربيني غازي، حيث تنتمي لكل المحركات الأربعة المذكورة سابقًا إلى عائلة التوربينات الغازية.
يجب أن تفي جميع محركات الطائرات بمتطلبات عامة معينة من الكفاءة والاقتصاد والموثوقية إلى جانب كونها اقتصادية في استخدام الوقود، يجب أن يكون محرك الطائرة اقتصاديًا في تكلفة الشراء الأصلي وتكلفة الصيانة، ويجب أن تفي بالمتطلبات الصارمة للكفاءة وانخفاض نسبة الوزن إلى القدرة الحصانية، كما يجب أن يكون قادرًا على إنتاج طاقة عالية مستدامة دون التضحية بالموثوقية، أيضًا يجب أن تتمتع أيضًا بالمتانة للعمل لفترات طويلة بين عمليات الإصلاح، ويجب أن يكون مضغوطًا قدر الإمكان، مع سهولة الوصول إليه للصيانة، ويجب أن تكون خالية من الاهتزازات قدر الإمكان وأن تكون قادرة على تغطية مجموعة واسعة من خرج الطاقة بسرعات وارتفاعات مختلفة.
تملي هذه المتطلبات استخدام أنظمة الإشعال التي تقدم دفعة إطلاق إلى شمعات الإشعال في الوقت المناسب في جميع أنواع الطقس وفي ظل ظروف معاكسة أخرى، كما توفر أنظمة توصيل وقود المحرك وقودًا مُقاسًا بالنسبة المطلوبة من الوقود والهواء الذي يمتصه المحرك بغض النظر عن الموقف أو الارتفاع أو نوع الطقس الذي يتم تشغيل المحرك فيه، حيث يحتاج المحرك إلى نوع من نظام الزيت الذي يوفر الزيت تحت الضغط المناسب لتزييت وتقليل حرارة جميع أجزاء المشغلة للمحرك عند عمله، يجب أن يحتوي على نظام من وحدات التخميد لتخفيف اهتزازات المحرك أثناء تشغيله.
الاحتكاك والقوة والضغط
لحساب خسارة الاحتكاك وصافي خرج القدرة، يمكن اعتبار القدرة الحصانية المحددة للأسطوانة على أنها قوتان منفصلتان، حيث تنتج كل منهما تأثيرًا مختلفًا وتتغلب القوة الأولى على الاحتكاك الداخلي، وبالتالي تُعرف القدرة الحصانية المستهلكة باسم قوة الاحتكاك، أما القوة الثانية، المعروفة باسم قوة حصان الفرامل تنتج عملاً مفيدًا في المروحة، حيث يسمى ذلك الجزء من (IMEP) الذي ينتج قدرة حصانية على الفرامل بالضغط الفعال (BMEP).
أما الضغط المتبقي المستخدم للتغلب على الاحتكاك الداخلي يسمى الاحتكاك يعني الضغط الفعال (FMEP)، (IMEP) هو تعبير مفيد لإجمالي خرج قدرة الأسطوانة ولكنه ليس كمية فيزيائية حقيقية وبالمثل فإن (FMEP) و(BMEP) عبارة عن تعبيرات نظرية ولكنها مفيدة عن خسائر الاحتكاك وصافي خرج الطاقة. وعلى الرغم من أن (BMEP) و (FMEP) ليس لهما وجود حقيقي في الأسطوانة، إلا أنهما يوفران وسيلة ملائمة لتمثيل حدود الضغط أو تصنيف أداء المحرك خلال نطاق التشغيل بالكامل، هناك علاقة تشغيل بين (IMEP) و(BMEP) و(FMEP).
أحد القيود الأساسية المفروضة على عمل المحرك هو الضغط المتطور في الأسطوانة أثناء الاحتراق، في مناقشة نسب الضغط والمشار إليها يعني الضغط الفعال ووجد أنه ضمن الحدود، أدى الضغط المتزايد إلى زيادة الطاقة، كما ولوحظ أيضًا أنه إذا لم يتم التحكم في ضغط الأسطوانة ضمن حدود قريبة، فسيؤدي ذلك إلى فرض أحمال داخلية خطيرة قد تؤدي إلى تعطل المحرك لذلك، من المهم أن يكون لديك وسيلة لتحديد ضغوط الأسطوانة هذه كإجراء وقائي وللتطبيق الفعال للطاقة.
ملاحظة: “IMEP” اختصار لـ “Indicated Mean Effective Pressure”
ملاحظة: “BMEP” اختصار لـ “Brake Mean Effective Pressure”
ملاحظة: FMEP”” اختصار لـ “Friction Mean Effective Pressure”
